БСЭ1/Майкельсона (Морлея) опыт

Шаблон:БСЭ1 МАЙКЕЛЬСОНА (МОРЛЕЯ) ОПЫТ, представляет собой попытку обнаружить движение земли относительно эфира — особой среды, к-рая, по предположению, является носителем электромагнитных волн. Из наблюдений явления звездной аберрации, к-рое было открыто Брадлеем в 1725, следовало, что эфир не увлекается движением земли. Следовательно, при этом движении свет, распространяющийся в эфире со скоростью $c$, по отношению к движущейся через эфир (со скоростью $v$) земле должен обладать различной скоростью в зависимости от направления луча. Если световой луч распространяется по направлению движения земли, то скорость света относительно земли равна $c-v$; если луч распространяется в противоположную сторону — против направления движения земли, то его относительная скорость равна $c+v$ наконец, если луч распространяется перпендикулярно к направлению движения земли, то его скорость равна

$c^{\prime }=\sqrt{c^2+v^2}$.

Поэтому Максвеллом была высказана мысль, что если бы можно было измерить разницу во временах, к-рые требуются для прохождения световым сигналом одного и того же отрезка пути в направлении, совпадающем с направлением движения земли, и в направлении, ему перпендикулярном, то тем самым было бы возможно измерить скорость движения земли относительно эфира. Однако эта разность чрезвычайно мала, она равна одной стомиллионной того времени, к-рое необходимо для прохождения световым лучом его отрезка пути. Вследствие этого, сам Максвелл считал попытку этого измерения практически безнадежной.

Несмотря на это, американский физик А. А. Шаблон:Lsafe (см.) сконструировал прибор, к-рый позволяет измерять такого рода разности.Шаблон:Lfloat Этот прибор, который называется интерферометром Майкельсона (см. Шаблон:Lsafe), основан на явлении Шаблон:Lsafe (см.) света. Схема его устройства приведена на рис. 1. Луч света падает на полупосеребренную плоско-параллельную стеклянную пластинку $P$ и разделяется на два луча $1$ и $2$, к-рые идут к зеркалам $S_1$ и $S_2$ и, отразившись от них, вновь возвращаются к пластинке $P$. Здесь каждый из них испытывает еще раз расщепление, причем два луча — $1^{\prime }$ и $2^{\prime }$, отщепившиеся соответственно от лучей $1$ и $2$, собираются объективом наблюдательного приспособления (зрительной трубы или фотоаппарата), в к-ром образуется система интерференционных полос. Расстояние между полосами зависит от разности путей, к-рые проходят лучи $1$ и $2$ между зеркалом $P$ и зеркалами $S_1$ и $S_2$. Изменение этой разности вызывает смещение интерференционных полос. Число полос $z$, на к-рое сместится интерференционная картина, когда разность путей изменяется на величину $\delta$, будет

$z=\frac{\delta }{\lambda }$      (1)

где $\lambda$ — длина волны применяемого света.

Основная идея М. о. заключается в том, что если эфир остается в покое, то поступательное движение интерферометра необходимо должно вызвать появление добавочной разности хода лучей, к-рая обусловливается в случае движущегося прибора тем, что лучи, идущие в направлениях к $S_1$ и $S_2$, проходят пути от $P$ до $S_1$ и от $P$ до $S_2$ и обратно к $P$ в неодинаковые промежутки времени даже в том случае, если $P{S}_1=P{S}_2$; это должно привести к смещению интерференционных полос. Путем несложного вычисления можно получить, что число полос, на к-рое сместится интерференционная картина, будет

$z=\frac{2l}{\lambda }{\left(\frac{v}{c}\right)}^2$      (2)

Если положить $v$ = 30 км/сек., что соответствует скорости движения земли по ее орбите, то ${\left(\frac{v}{c}\right)}^2=10^{-8}$. Величина $\lambda$ порядка $6\cdot 10^{-5}$ см.

Следовательно,Шаблон:Rfloat чтобы получить хотя бы сколько-нибудь ощутимое смещение полос, необходимо брать очень большие длины плеч интерферометра. — В первом опыте Майкельсона, произведенном в 1881, эта длина была слишком мала, так что ожидаемое смещение имело величину приблизительно Шаблон:Дробь полосы, и вследствие несовершенства всего прибора эта величина могла остаться необнаруженной. Поэтому в 1887 Майкельсоном совместно с Морлеем этот опыт был повторен с более усовершенствованным прибором. Для того чтобы увеличить оптический путь $l$, они заставили световые лучи, прежде чем они сойдутся у пластинки $P$, многократно отражаться от дополнительных зеркал, так что каждый луч пробегал путь $l$ не один, а несколько раз, вследствие чего общая длина пути лучей была доведена до 11 м. Ожидаемое смещение в этом случае составляло 0,4 полосы, и если бы эффект действительно существовал, то он был бы легко обнаружен. Фактически наблюдавшееся смещение было порядка 0,01 полосы, что обусловливалось уже ошибками установки. Единственный вывод, к-рый можно было отсюда сделать, это то, что или ожидаемый эффект отсутствует полностью или он не выше той величины, к-рая соответствует смещению интерференционной картины на 0,01 полосы. Как видно из предыдущего, весь прибор должен быть сделан так, чтобы в нем постоянство оптического пути сохранялось с точностью, большей чем до одной стомиллионной, и притом в течение очень длительного промежутка времени, пока продолжался опыт. С этой целью прибор целиком монтировался на квадратную каменную плиту (рис. 2), которая плавала в сосуде с ртутью. Благодаря такой конструкции весь прибор можно было легко поворачивать вокруг вертикальной оси, не вызывая при этом никаких деформаций.

Для объяснения отрицательных результатов опыта Майкельсона Фицджеральдом и независимо от него Лоренцом была высказана гипотеза, что вследствие движения происходит сжатие линейных масштабов в направлении движения, к-рое компенсирует ожидаемый эффект. Более общей является точка зрения Эйнштейна, к-рый развил т. н. теорию относительности (см. Шаблон:Lsafe). Из этой теории как следствие вытекает отрицательный результат М. о. и аналогичных ему опытов. Однако, несмотря на это, М. о. неоднократно повторялся, т. к. со стороны нек-рых физиков были возражения против теории Эйнштейна (сам Майкельсон не был сторонником теории относительности).

Первое повторение М. о. было произведено в 1904 Морлеем и Миллером, при этом результат опять был отрицательным. Однако, несмотря на это, Миллер, к-рый продолжал эти опыты уже один, начал позднее утверждать, что его опыты дают положительный результат, т. е., что ему удалось найти «эфирный ветер», соответствующий скорости земли $v$=10 км/сек. Эти сообщения Миллера, а также и ряд других соображений привели к тому, что М. о. был неоднократно повторен (Кеннеди — 1926, Иллингворт — 1927, Пикар — 1927, Майкельсон — 1929). Результат этих опытов оказался отрицательным. Таким образом, можно сказать, что, несмотря на самые тщательные попытки найти, движение земли относительно неподвижного эфира, такого движения констатировать не удалось. Следует отметить, что с целью обнаружить движение земли по отношению к эфиру производились и другие опыты, из которых можно назвать опыт Трутона и Нобля и опыт Релея и Бреса, которые также дали отрицательный результат.

Лит.: Шаблон:Razr2 С. И., Экспериментальные основания теории относительности, М. — Л., 1928 [дана лит.]; Шаблон:Razr2 А. А., Световые волны и их применения, пер. с англ., 2 изд., М. — Л., 1934; Шаблон:Razr2 М., у., Die Optik der bewegten Körper, в кн.: Handbuch der Experimentalphysik, hrsg. v. W. Wien und F. Harms, Bd XVIII, Lpz., 1928.