Експериментът Майкелсън–Морли: тест за етер и интерферометър (1887)

Експериментът на Майкелсън-Морли е научен опит за установяване на наличието и свойствата на вещество, наречено етер - вещество, за което се смята, че запълва празното пространство. Експериментът е извършен от Алберт А. Майкелсън и Едуард Морли през 1887 г.

Тъй като вълните във водата се нуждаят от нещо, в което да се движат (вода), а звуковите вълни също (въздух), се смята, че светлината също се нуждае от нещо, в което да се движи. Учените от XVIII в. нарекли това вещество "етер" по името на гръцкия бог на светлината. Те вярвали, че етерът е навсякъде около нас и че той запълва и вакуума в пространството. Майкелсън и Морли създават този експеримент, за да се опитат да докажат теорията за съществуването на етера. Те правят това с помощта на устройство, наречено интерферометър.

Принцип на експеримента

Идеята на експеримента е следната: ако около Земята има стационарен етер, движението на планетата през този етер би трябвало да създава "етерен вятър" (аналогично на въздушен поток), който да променя скоростта на разпространение на светлината в зависимост от посоката. Майкелсън и Морли сравняват две перпендикулярни светлинни лъчи, които пътуват по две равни на дължина рамена на интерферометъра. При връщането си лъчите се съвместяват и образуват интерференчна картина (френджове). Ако има ефект от етерния вятър, при въртене на апарата или при промяна на движението на Земята би трябвало да се наблюдава изменение (изместване) на тези френджове.

Устройството — интерферометър

Интерферометърът на Майкелсън е класическа конструкция с разделител на лъча, огледала и екран за наблюдение на интерференчната картина. Светлинният лъч се разделя на две, които се отразяват от огледала и се връщат, за да се съвместят отново. За да се увеличи пътят на светлината и чувствителността, Майкелсън и Морли използват множество отражения по рамената. Апаратът е проектиран да измерва много малки разлики във времето на преминаване, които биха се проявили като изместване на интерференчните френджове.

Резултатът

Въпреки високата чувствителност на уреда, Майкелсън и Морли не откриват очакваното изместване на френджовете — резултатът е близък до нулата. Това означава, че експериментът не потвърждава наличието на пасивен, земно-стационарен етер, който да влияе на скоростта на светлината по описания начин.

Последствия и интерпретации

Нулевият резултат от експеримента предизвиква голямо дискутиране и води до няколко важни теоретични развития:

• Опитът подхранва предложенията за корекции към механиката на етерната теория — например хипотезата за съкращение на дължините (Фицджералд, Лоренц), която би могла да маскира очаквания ефект.
• Резултатът е една от предпоставките за появата на по-радикално преразглеждане на пространството и времето: през 1905 г. Алберт Айнщайн формулира Теорията на специалната относителност, която премахва необходимостта от етер и приема скоростта на светлината за константа във всички инерциални системи.
• Експериментът укрепва развитието на прецизните оптични измервания и интерферометрията като метод за научни изследвания — област, в която Майкелсън продължава да допринася и поради която получава Нобелова награда за физика през 1907 г.

По-нататъшни повторения и модерни тестове

След 1887 г. експериментът е повтарян и усъвършенстван многократно с нарастване на точността. По-късни и по-прецизни интерферометрични тестове, както и съвременни експерименти (например с лазерни интерферометри и оптични клокове), продължават да намират съвместимост с принципите на специалната относителност и отсъствие на било какъв измерим етерен вятър.

Експериментът на Майкелсън и Морли остава ключов момент в историята на физиката като експеримент, който поставя под въпрос устоите на класическата теория и подпомага прехода към модерната физика.

Експериментът

Земята се движи много бързо (с повече от 100 000 км в час) около Слънцето. Ако съществува етер, Земята, движеща се през него, би предизвикала "вятър" по същия начин, по който изглежда, че има вятър извън движещ се автомобил. За човек в колата въздухът извън нея би изглеждал като движеща се субстанция. По същия начин етерът би трябвало да изглежда като движеща се субстанция за нещата на Земята.

Интерферометърът е проектиран да измерва скоростта и посоката на "етерния вятър", като измерва разликата между скоростта на светлината, движеща се в различни посоки. Той измерва тази разлика, като облъчва сноп светлина в огледало, което е само частично покрито със сребро. Част от лъча се отразяваше в едната посока, а останалата част - в другата. След това тези две части се отразяват обратно до мястото, където са били разделени, и се комбинират отново. Като се разгледат интерференчните модели в рекомбинирания лъч светлина, могат да се видят всички промени в скоростта, дължащи се на етерния вятър.

Те установиха, че всъщност няма съществена разлика в измерванията. Това озадачава научната общност по онова време и води до създаването на различни нови теории, които да обяснят резултата. Най-важната от тях е коефициентът на Лоренц, който се използва в специалната теория на относителността на Алберт Айнщайн.

Интерферометърът на Майкелсън използва същия принцип като оригиналния експеримент. Но той използва лазер като източник на светлина.

Въпроси и отговори

В: Каква е била целта на експеримента на Майкелсън и Морли?

В: Какво представлява етерът?

В: Кога е проведен експериментът на Майкелсън-Морли?

В: Какво показва експериментът на Майкелсън-Морли?

В: Какво са вярвали учените от XVIII век за етера?

В: Какво използват Майкелсън и Морли, за да проведат своя експеримент?

Въпрос: Какво се проверява с експеримента на Майкелсън и Морли?

Търсене по буква