Механическая вселенная — эксперимент Майкельсона

Фото Майкельсона

Этот эксперимент — возможно, самый знаменитый эксперимент в физике. Он был проведен для того, чтобы доказать движение Земли сквозь светоносный эфир. Светоносный эфир изобрели физики 19 века, пытаясь объяснить, как свет может проходить сквозь пустое пространство между Солнцем и Землей.

Существует легенда об эксперименте Майкельсона—Морли. Она также глубоко укоренилась, как и история о Ньютоне и яблоке. Ниже приведем легенду.

Майкельсон и Морли провели эксперимент и доказали, что между Землей и Солнцем никакого эфира нет. Поэтому Альберт Эйнштейн был вынужден изобрести теорию относительности.

Эксперимент был проведен в технологическом университете Кейса в Кливленде штат Огайо, США в 1887 году. Для того чтобы этот эксперимент мог состояться, за столетие до этого в Филадельфии была создана первая теория электричества.

Интересно отметить, что Альберт Майкельсон в течение оставшихся 50 лет своей жизни рассматривал свой великий эксперимент как неудачу. Сегодня, спустя много лет, мы можем более правильно оценить это событие.

1887 год — это время правления Виктории — королевы  Англии и Индии. Лондон — мировая столица коммерции и торговли. В Германии, отделенной от Великобритании северным морем, Альберт Эйнштейн отпраздновал свой 8 день рождения. Прошло 23 года как Максвелл опубликовал свои уравнения. Американское общество наслаждалось двумя десятилетиями мира и процветания после окончания гражданской войны. 1887 год — это время спокойствия и порядка не только в экономике и политике, а также и в науке.

Многие физики верили, что все открытия уже сделаны. И физика, как наука, достигла совершенства. Но не был окончательно решен вопрос о светоносном эфире — одном из основных физических понятий того времени.

В 1887 году Майкельсон и Морли подготавливали свой эксперимент, чтобы доказать, что светоносный эфир существует. Он и в самом деле существовал, во всяком случае в головах философов в течение нескольких тысяч лет. Для древних людей идея абсолютной пустоты была неприемлема. Они считали, что пространство должно быть чем-то заполнено.  Решение нашел Аристотель. Он придумал эфир. Это была субстанция, которая заполняла пустое пространство. В 19 веке эфир стал служить не только философам, но и физикам. Эфир был той субстанцией, по которой распространялись световые волны от солнца, чтобы согревать и освещать Землю.

Волны могут распространяться по поверхности воды или в толще кристалла, или по воздуху, например, в концертном зале. Любая волна является возмущением, проходящим по какой-то материальной среде, проходящей от одной точке к другой. Иными словами, если есть волна, то что-то должно волноваться, т.е. колебаться. Но когда солнечный свет движется к поверхности земли через пустое пространство, что же колеблется?

В 19 веке ответ на этот вопрос считался простым и понятным. Это был эфир. Для физиков 19 века эфир был абсолютно реальным. Его можно было наблюдать и у него были физические характеристики, которые можно было измерить. Физики считали, что эфир почти не сжимаем.

С другой стороны Земля и другие планеты двигались, подчиняясь законам Ньютона, как будто бы они двигались в пустоте. Если бы эфир вел себя как вязкая жидкость, движущиеся по орбитам планеты, постепенно бы теряли энергию и двигались  по спирали к Солнцу. Поскольку такого явления не наблюдалось, физики пришли к другому выводу о характеристиках эфира. Они решили, что эфир является абсолютно текучей жидкостью, совершенно лишенной вязкости. Это прозрачная, абсолютно не вязкая и не сжимаемая жидкость. Обладая такими обширными знаниями об эфире физикам оставалось всего лишь продемонстрировать его существование в простом и неопровержимом эксперименте. Но они собрались это сделать только к концу столетия.

В 1887г. Майкельсон и Морли разработали эксперимент, который не мог быть не успешным. Майкельсон обладал талантом конструирования проборов для сверхточных измерений. Его измерения скорости света были лучшими для того времени. Работая в Берлине Майкельсон сконструировал новый прибор высокой точности, который назвали интерферометром. В Интерферометре Майкельсона луч света сначала разделяется на два луча при помощи полупрозрачного зеркала. И затем эти два луча, движущиеся параллельно, отражаются назад —туда, где они были разделены. Там они снова сливаются в один луч.

прибор МайкельсонаВ Интерферометре Майкельсона используется своеобразное соревнование двух лучей. Если они движутся одинаково, то соревнование кончается вничью. В результате появляется яркое пятно в центре экрана.

Но во времена Майкельсона физики считали, что лучи не могут прийти в исходную точку одновременно, поскольку эти два луча соревновались на движущейся платформе. Ведь земля и вместе с ней интерферометр, двигались сквозь эфир. Луч, движущийся поперек движения Земли, описывает треугольник. А луч, направленный по направлению движения Земли, пройдет меньшее расстояние в одну сторону, но большее — в другую. Второй луч пройдет большее расстояние. Поэтому боковой луч всегда выигрывает.

Майкельсон знал, что разница во времени прохождения лучей будет крайне мала.

В 1880 г. немецкая приборостроительная фирма изготовила первый интерферометр. В 1881 году, когда Майкельсон отправился в Потсдам, он прихватил прибор с собой. Прибор был достаточно чувствителен. На столько чувствителен, что конные повозки и пешеходы, гуляющие неподалеку от лаборатории влияли на точность измерения. Каждое измерение занимало целый день. Когда Майкельсон не обнаружил присутствие эфира, он не был удивлен. Он считал, что виновата погрешность и недостаточная точность прибора.

Шло время. Но Майкельсон не мог добиться большей надежности измерений. Он вернулся в США и занял пост профессора в институте Кейса в Кливленде. В это время он и Морли, преподававший химию и физику в этом же институте, стали не только коллегами, но и близкими друзьями. Коллеги-физики тем временем убеждали Майкельсона попытаться еще раз.

Поэтому в 1887 году Майкельсон попросил своего друга Морли принять участие в разработке нового интерферометра. Новый прибор был в 10 раз более чувствительный, чем тот, что был создан в 1880 году. Майкельсон Усиленно думал, как избавить интерферометр от влияния колебаний, вызванных повозками и пешеходами. Зеркала были укреплены на массивном каменном основании, которое в свою очередь плавало в бассейне со ртутью. Майкельсон и Морли пришли в полный восторг при испытаниях нового интерферометра.  Прибор обладал чувствительностью, на которую они рассчитывали и был способен зарегистрировать крайне малую разницу во времени движения световых лучей.

Суть эксперимента заключалась в наблюдении изображения, получаемого на экране интерферометра. Прибор сначала располагался в одном направлении. После чего разворачивался в другом. Если лучи доходят до цели одновременно, мы наблюдаем конструктивную интерференцию в виде яркой  точки в центре экрана. Если один луч опережает другой, мы наблюдаем деструктивную интерференцию — темное пятно в центре экрана. Круги на экране должны быть сдвинуты при разных положениях прибора.

Суть работы интерферометра

К огромному удивлению Майкельсона и Морли на экране интерферометра не было обнаружено никакого сдвига. Значит, лучи пришли к цели одновременно. И как бы они не изменяли условия проведения эксперимента, проводя его зимой и летом, ночью и днем, результат не менялся.Было очевидно, что свет движется с одинаковой скоростью во всех направлениях.

В течение следующих 50 лет многие физики повторили эксперимент Майкельсона—Морли. Они добивались все большей точности измерений в напрасных попытках получить положительный результат. Существование эфира не удалось подтвердить экспериментально, и последствия этого факта были грандиозны.

Отрицательный результат эксперимента казался неправильным. Майкельсон искренне верил, что эфир существует и что им просто не удалось его обнаружить. Его общеизвестное чувство юмора помогло ему пережить неудачу. Он продолжал работать и считался виртуозом экспериментальной физики. Но чувство неудачи преследовало его всю жизнь. Хотя в исторической перспективе эксперимент имел очень большое значение, которое невозможно переоценить.

 

Оставить свой комментарий

Вверх
© 2019      //    Войти