Опыт майкельсона по определению скорости света – На рисунке 113 представлена схема опыта Майкельсона по определению скорости света. С какой частотой должна вращаться восьмиугольная зеркальная призма, чтобы источник был виден в зрительную трубу, если световой луч проходит расстояние, равное

Содержание

Опыт Майкельсона — Википедия

Общий вид первого варианта интерферометра Майкельсона в перспективе. Изображение (Fig.3) из доклада А. Майкельсона по результатам его экспериментов, выполненных в 1881 г.[1]

Схема экспериментальной установки
Иллюстрация экспериментальной установки

О́пыты Ма́йкельсона — класс физических экспериментов, исследующих зависимость скорости распространения света от направления. По данным 2015 года, точность опытов позволяет найти относительные отклонения изотропности скорости света в единицы 10−18, однако на этом уровне никаких отклонений не найдено[2]. Опыты Майкельсона являются эмпирической основой принципа инвариантности скорости света, входящего в общую теорию относительности (ОТО) и специальную теорию относительности (СТО).

Допустим, что свет (электромагнитная волна) является колебаниями некой субстанции (светоносного эфира), наподобие упругих волн в газе или жидкости. Если источник и приёмник света, находящиеся на неизменном расстоянии друг от друга, движутся со скоростью v сквозь эту субстанцию, то время распространения света от источника до приёмника будет зависеть от взаимного расположения вектора скорости и вектора, соединяющего источник и приёмник. Относительная разность времени Δt/t при распространении света параллельно и перпендикулярно потоку эфира по порядку величины близка к (v/c)2, если скорость эфира много меньше скорости света. В эксперименте Майкельсона использовалось орбитальное движение Земли сквозь гипотетический эфир (предположительно неподвижный относительно Солнца), причём измерялась разность времени прохождения света одновременно через два перпендикулярных плеча интерферометра; при повороте прибора в потоке эфира время прохождения света через плечи интерферометра должно было бы измениться, что привело бы к изменению разности фаз электромагнитной волны в параллельном и перпендикулярном плече и к изменению наблюдаемой интерференционной картины, возникающей при сложении двух этих пучков света.

Рассмотрим упрощённый вариант, когда одно из плеч (1) расположено по движению эфира через прибор, другое плечо перпендикулярно ему.

Вычисляем общее время t1{\displaystyle t_{1}} прохождения света через плечо 1, используя сумму времён прямого и обратного движения и обозначив длину плеча L0{\displaystyle L_{0}}:

t1=L0c+v+L0c−v={\displaystyle t_{1}={\frac {L_{0}}{c+v}}+{\frac {L_{0}}{c-v}}=}2cL0c2−v2=2L0c11−v2c2≈2L0c(1+v2c2).{\displaystyle {\frac {2cL_{0}}{c^{2}-v^{2}}}={\frac {2L_{0}}{c}}{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}\approx {\frac {2L_{0}}{c}}\left(1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}}\right).}

Приближение связано с тем, что v2/c2≪1{\displaystyle v^{2}/c^{2}\ll 1} (порядка 10−8{\displaystyle 10^{-8}}, когда берётся скорость эфира v{\displaystyle v} ≈ 30 км/с ≈ 10−4c, равная по модулю и противоположная по направлению скорости орбитального движения Земли).

Далее рассмотрим движение света для плеча 2, перпендикулярного движению эфира.

Считаем дальше через сложение векторов и модули векторов. Пусть v1=v+c{\displaystyle \mathbf {v_{1}} =\mathbf {v} +\mathbf {c} } — скорость волны в направлении зеркала.

v1=|v1|=v2+c2=c1+v2c2{\displaystyle v_{1}=|\mathbf {v_{1}} |={\sqrt {v^{2}+c^{2}}}=c{\sqrt {1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}.

Мы можем теперь вычислить:

t2=2L1c11+v2c2≈2L1c(1−v22c2){\displaystyle t_{2}={\frac {2L_{1}}{c}}{\frac {1}{\sqrt {1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\approx {\frac {2L_{1}}{c}}\left(1-{\frac {v^{2}}{2c^{2}}}\right)}.

L1{\displaystyle L_{1}} — это гипотенуза, по ней сигнал идёт с увеличенной скоростью, при этом прохождение катета со скоростью c{\displaystyle c} даст то же время, что и прохождение гипотенузы с этой увеличенной скоростью. Поэтому достаточно рассмотреть время в виде

t2=2L0c{\displaystyle t_{2}={\frac {2L_{0}}{c}}}

Разность фаз пропорциональна:

δ=c(t2−t1)=2(L0−L01−v2c2){\displaystyle \delta =c(t_{2}-t_{1})=2\left({L_{0}-{\frac {L_{0}}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\right)}

S=|δ+δ′|{\displaystyle S=|\delta +\delta ^{‘}|}, где δ′{\displaystyle \delta ^{‘}} пропорциональна разности фаз при повороте на π2{\displaystyle {\frac {\pi }{2}}}:

S=2L0|1−11−v2c2|≈2L0v2c2.{\displaystyle S=2L_{0}\left|1-{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}\right|\approx 2L_{0}{\frac {v^{2}}{c^{2}}}.}

Было показано, что теория эфира подразумевает разность фаз в параллельном и перпендикулярном плече, поддающуюся количественной оценке и обнаруживаемую соответствующими экспериментальными средствами (интерферометр Майкельсона — Морли).

Предыстория[править | править код]

Теория распространения света как колебаний особой среды — светоносного эфира — появилась в XVII веке. В 1727 году английский астроном Джеймс Брэдли объяснил с её помощью аберрацию света. Предполагалось, что эфир неподвижен, но после опытов Физо возникло предположение, что эфир частично или полностью увлекается в ходе движения вещества.

В 1864 году Джеймс Максвелл поставил опыт с целью определить скорость Земли относительно эфира, однако позднее нашёл ошибку в своих выкладках и не стал публиковать результаты. Незадолго до смерти, в 1879 году, он написал другу письмо на эту тему, оно было посмертно опубликовано в журнале «Nature». В 1871—1872 годах Эйри провёл серию точных опытов с астрономическим источником света, сделав из них вывод о том, что орбитальное движение Земли полностью увлекает эфир.

Опыты Майкельсона[править | править код]

Вышеупомянутая публикация письма Максвелла заинтересовала американского физика Альберта Майкельсона. Около 1880 года он придумал оптический прибор исключительно высокой точности, который назвал интерферометром. Целью первого эксперимента (1881) было измерение зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира. Результат первого эксперимента[1] был отрицательным — смещения полос не совпадают по фазе с теоретическими, а колебания этих смещений только немного меньше теоретических[3]. Статья о результатах опыта вызвала критику ведущего физика-теоретика Хендрика Лоренца, который указал, что теоретическая точность опыта была завышена[4].

{\displaystyle S=2L_{0}\left Экспериментальная установка Майкельсона — Морли, на которой выполнялись измерения 1887 года[5]. Аппарат размещён на массивной каменной плите размерами 1,5×1,5×0,3 м, плавающей в ртути, чтобы устранить изменение длины плеч интерферометра при повороте аппарата

Позже, в 1887 году, Майкельсон, совместно с Морли, провёл аналогичный, но существенно более точный эксперимент[5], известный как эксперимент Майкельсона — Морли и показавший, что наблюдаемое смещение несомненно меньше 120 теоретического и, вероятно, меньше 140. В теории неувлекаемого эфира смещение должно быть пропорционально квадрату скорости, поэтому результаты равносильны тому, что относительная скорость Земли в эфире меньше 16 её орбитальной скорости и несомненно меньше 14[6].

Под влиянием этих результатов Джордж Фитцджеральд и Лоренц выдвинули гипотезу о сокращении материальных тел в направлении движения в неподвижном и неувлекаемом эфире (1889).

Опыты Миллера[править | править код]

По мнению профессора Дэйтона К. Миллера (Кейсовская школа прикладных наук):

Можно полагать, что эксперимент лишь показал, что эфир в конкретной подвальной комнате увлекается в продольном направлении вместе с ней. Мы собираемся поэтому переместить аппарат на холм, чтобы посмотреть, не обнаружится ли там эффект.[источник не указан 1957 дней]

К. Миллер с профессором Морли сконструировали интерферометр более чувствительный, чем примененный в первом эксперименте, с длиной оптического пути 65,3 м, эквивалентной примерно 130 млн длин волн. К. Миллер ожидал увидеть смещение в 1,1 полосы[7].

Осенью 1905 г. Морли и Миллер провели эксперимент на Евклидовых высотах в Кливленде, находящихся на высоте около 90 м над озером Эри и около 265 м выше уровня моря. В 1905—1906 гг. было сделано пять серий наблюдений, которые дали определённый положительный эффект — около 1/10 ожидаемого дрейфа[7].

В марте 1921 г. методика и аппарат были несколько изменены и получен результат в 10 км/с «эфирного ветра». Результаты были тщательно проверены на предмет возможного устранения погрешностей, связанных с магнитострикцией и тепловым излучением. Направление вращение аппарата не оказывало влияния на результат эксперимента[7].

Более поздние исследования результатов, полученных Д. Миллером, показали, что флуктуации, наблюдавшиеся им и интерпретированные как наличие «эфирного ветра», являются следствием статистических ошибок и неучёта температурных эффектов[8].

Опыты Кеннеди[править | править код]

Доктор Рой Кеннеди (Калифорнийский технологический институт) после публикаций результатов опыта Морли — Миллера видоизменяет опыт с целью проверки. Интерферометр помещается в металлический герметичный корпус, заполненный гелием под давлением 1 атм. Используя приспособление, способное различить очень малые смещения интерференционной картины, стало возможным сократить размер плеч до 4 м. Использовался поляризованный свет с целью исключить насколько возможно рассеяние света на зеркалах. Точность опыта соответствовала смещению полос на 2·10−3 их ширины. На этом аппарате скорость 10 км/с, полученная Миллером, давала бы сдвиг, соответствующий 8·10−3 длины волны зелёного цвета, что в четыре раза больше наименьшего определяемого значения. Эксперимент проводился в лаборатории Норман Бридж, в помещении с постоянной температурой, в различное время дня. Для проверки зависимости скорости эфирного ветра от высоты местности опыты проводились также на Маунт-Вилсон, в здании обсерватории. Эффект оказался не превышающим 1 км/с для эфирного ветра[7].

Теперь я хотел бы сделать несколько замечаний по поводу эксперимента Миллера. Я считаю, что существует серьёзная проблема, связанная с эффектом, периодическим для полного оборота аппарата, и сброшенная со счетов Миллером, подчеркивающим значение эффекта полупериода, то есть повторяющегося при полуобороте аппарата, и касающаяся вопроса об эфирном ветре. Во многих случаях эффект полного периода значительно больше эффекта полупериода. По Миллеру эффект полного периода зависит от ширины полос и будет нулевым для неопределенно широких полос.

Хотя Миллер утверждает, что он смог исключить этот эффект в значительной степени в своих замерах в Кливленде, и это можно легко объяснить в эксперименте, я хотел бы более четко понять причины этого. Говоря в данный момент как приверженец теории относительности, я должен утверждать, что такого эффекта вовсе не существует. Действительно, поворот аппарата в целом, включая источник света, не дает какого-либо сдвига с точки зрения теории относительности. Никакого эффекта не должно быть, когда Земля и аппарат находятся в покое. По Эйнштейну такое же отсутствие эффекта должно наблюдаться для движущейся Земли. Эффект полного периода, таким образом, находится в противоречии с теорией относительности и имеет большое значение. Если затем Миллер обнаружил систематические эффекты, существование которых нельзя отрицать, важно также узнать причину эффекта полного периода[7].

Опыты Майкельсона и Гэля[править | править код]

Схема опыта Майкельсона — Гэля

В 1925 г. Майкельсон и Гэль у Клиринга в Иллинойсе уложили на земле водопроводные трубы в виде прямоугольника. Диаметр труб 30 см. Трубы AF и DE были направлены точно с запада на восток, EF, DA и CB — с севера на юг. Длины DE и AF составляли 613 м; EF, DA и CB — 339,5 м. Одним общим насосом, работающим в течение трех часов, можно откачать воздух до давления 1 см ртутного столба. Чтобы обнаружить смещение, Майкельсон сравнивает в поле зрительной трубы интерференционные полосы, получаемые при обегании большого и малого контура. Один пучок света шёл по часовой стрелке, другой против. Смещение полос, вызываемое вращением Земли, разные люди регистрировали в различные дни при полной перестановке зеркал. Всего было сделано 269 измерений. Теоретически предполагая эфир неподвижным, следует ожидать смещения полосы на 0,236 ± 0,002. Обработка данных наблюдений дала смещение 0,230 ± 0,005, таким образом подтвердив существование и величину эффекта Саньяка[6].

С. И. Вавилов в статье «Экспериментальные основания теории относительности» объясняет этот эффект так:

Ротационные опыты Саньяка и Майкельсона — Гэля в теории относительности (частной и общей) объясняются почти так же, как возможность обнаружения вращательного движения по проявлениям центробежных сил в механике. Это — естественное следствие теории относительности, не добавляющее ничего нового[6].

Современные варианты[править | править код]

В 1958 году в Колумбийском университете (США) был проведён ещё более точный эксперимент с использованием противонаправленных лучей двух мазеров, показавший независимость частоты от движения Земли с точностью около 10−9 %.

Ещё более точные измерения в 1974 году довели чувствительность до 0,025 м/с. Современные варианты эксперимента Майкельсона[2] вместо интерферометров используют оптические и криогенные[прояснить]микроволновые резонаторы и позволяют обнаружить отклонение скорости света Δc/c, если бы оно составляло ~10−18. Кроме того, современные варианты эксперимента Майкельсона чувствительны к гипотетическим нарушениям лоренц-инвариантности не только в уравнениях Максвелла (для электромагнитных волн, как в классическом эксперименте), но и в уравнении Дирака (для электронов)[9].

  1. 1 2 Michelson A. A. The relative motion of the Earth and of the luminiferous ether (англ.) // The American Journal of Science. III series. — 1881. — Vol. XXII, iss. 128 (August 1881). — P. 120—129. — DOI:10.2475/ajs.s3-22.128.120. Архивировано 27 июля 2019 года.
  2. 1 2 Nagel M., Parker S. R., Kovalchuk E. V., Stanwix P. L., Hartnett J. G., Ivanov E. N., Peters A., Tobar M. E. Direct terrestrial test of Lorentz symmetry in electrodynamics to 10−18 (англ.) // Nature Communications. — 2015. — Vol. 6. — P. 8174. — DOI:10.1038/ncomms9174. — Bibcode: 2015NatCo…6E8174N. — arXiv:1412.6954.
  3. ↑ Л. Млодинов, 2014, с. 69—73..
  4. ↑ Л. Млодинов, 2014, с. 73—74..
  5. 1 2 Michelson A. A., Morley E. W. On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether (англ.) // The American Journal of Science. III series. — 1887. — Vol. 34, iss. 203 (November 1887). — P. 333—345. — DOI:10.2475/ajs.s3-34.203.333. Копия на Викискладе: Файл:On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether.djvu
  6. 1 2 3 Экспериментальные основания теории относительности // С. И. Вавилов. Собрание сочинений. Т. 4. — М.: Изд-во АН СССР, 1956.
  7. 1 2 3 4 5 Michelson A. A., Lorentz H. A., Miller D. C., Kennedy R. J., Hedrick E. R.,
    Epstein P. S.
    Conference on the Michelson-Morley experiment. Held at the Mount Wilson Observatory, Pasadena, California, February 4 and 5, 1927 (англ.) // The Astrophysical Journal. — 1928. — Vol. LXVIII, iss. 5 (December 1928). — P. 341—402. — DOI:10.1086/143148. — Bibcode: 1928ApJ….68..341M. Перевод на русский язык В. А. Ацюковского и Л. С. Князевой.
  8. Shankland R. S., McCuskey S. W., Leone F. C., Kuerti G. New Analysis of the Interferometer Observations of Dayton C. Miller (англ.) // Rev. Mod. Phys.. — 1955. — Vol. 27. — P. 167—178. — DOI:10.1103/RevModPhys.27.167.
  9. Müller H., Stanwix P. L., Tobar M. E., Ivanov E., Wolf P., Herrmann S., Senger A., Kovalchuk E., Peters A. Tests of Relativity by Complementary Rotating Michelson-Morley Experiments (англ.) // Phys. Rev. Lett.. — 2007. — Vol. 99. — P. 050401. — DOI:10.1103/PhysRevLett.99.050401. — arXiv:0706.2031.
  • Млодинов Л. Евклидово окно. История геометрии от параллельных прямых до гиперпространства. — М.: Гаятри/Livebook, 2014. — 368 с. — ISBN 978-5-904584-60-3.
  • Swenson, L. S. The Michelson-Morley-Miller Experiments before and after 1905 (англ.) // Journal for the History of Astronomy. — 1970. — Vol. 1. — P. 56—78.

Опыт Майкельсона–Морли • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

— Вы же поклонник конспирологии, а значит, аргументы на вас не действуют.

Во-первых я не поклонник конспирологии, а во-вторых аргументы на меня действуют тогда, когда они есть.

— Вы ошибаетесь, в Библии нет ничего о том, что Земля плоска. И о том, что не плоская — тоже ничего нет.

Я не говорил, что в Библии говорится о том, что земля плоская, дословно: «Плоскость Земли тоже *как бы* согласовалась с библией» Обратили ли вы внимание на это *как бы*? И слово — согласовалась — употреблённом в прошедшем времени, а это значит, что люди так думали, и думали раньше, когда мыслить логически (против церкви) было запрещено.

— Никакая теория вообще не может быть верна. Теория может лишь обладать приемлемой для использования точностью.

Обладать «приемлемой для использования точностью» могут погрешности измерения, но никак не теория, она либо объясняет, либо нет. Может считаться верной, но при этом погрязнуть в логических абсурдах.

— Не ленитесь, читайте учебники, там все написано.

Ни чего хорошего там не написано, кроме формул о промежутках времени, и увеличением их длительности, с возрастанием скорости. Формула это не причина! И ещё есть эксперимент с мюонами… вот и все!

— А сколько спутников вы в своей жизни запустили, чтобы ваше мнение в этом вопросе заслуживало доверия?

Ответ прост: ни сколько. А вы разве не слышали о первых спутниках, улетевшие в неизведанные дали…

— А мужики-то в NASA об этом и не знают 🙂 Непременно перескажу этот анекдот своим приятелям из JPL

Рассказывайте, пожалуйста 🙂 Развеселите друзей. Я тут чуток подумал… зачем опровергать этот факт? Ведь здесь для часов (любых) меняются условия их работы, от притяжения Земли — к состоянию невесомости, и их синхронизация с земными часами нужна именно по этой причине. Может я что то путаю, но разве атом не является объектом гравитационного воздействия. Поэтому атомные часы могут и отставать в космосе от земного времени.

— Ну, в общем, да. Вы ж не хотите, чтобы узнать причину, учебники почитать. Вот и получаетесь дурачиной.

Раньше я думал что причина — тяготение (одно слово), но вы сказали что нет, я задал вопрос «если не тяготение(его усиление или увеличение), то что?», надеюсь вы дадите ответ на этот вопрос. Сомневаюсь что он займёт больше одного абзаца. тяготение (одно слово)

— К сожалению, у вас совсем допотопные представления об устройстве науки.

Возможно вам это показалось, из-за не очень удачно построенными аргументами и фразами, надеюсь здесь все будет исправленно. Здесь я имел ввиду то , что нельзя же приступать к эксперименту, не имея теории (или какой либо гипотезы), но в то же время теория должна быть логичной и последовательной, иначе будет полный хаос. Спасибо за сайт, люблю такие рассуждения.

А теперь по существу:

«Выдвинута для объяснения электромагнитных волн в рамках ньютоновской механики. Свет считался колебаниями эфира — гипотетической среды с очень странными свойствами: твердый, но практически невесомый, всепроникающий, но при этом увлекаемый за собой движущимися телами. Механическая модель эфира получалась крайне неестественной. Специальная теория относительности избавилась от эфира, внеся изменения в ньютоновскую модель пространства и времени. Она резко упростила описание электромагнитных явлений и дала целую серию новых предсказаний, самое известное из которых — лежащая в основе ядерной энергетики эквивалентность массы и энергии E = mc2.» — данный текст взят как раз с того сайта. Единственной преградой для принятия эфира(чему и посвящена статья на элементах), является то что его не нашли опытным путём, но ведь это не повод для её не рассмотрение релятивистами. Если вас пугает «механическая модель эфира» предложенная в тексте выше, то можете прочитать про «новые свойства» эфира (уже логически обоснованные, и подчиняющиеся всем законам природы, и являются вполне естественными) http://bourabai.narod.ru/index.htm — здесь много информации об эфире, и много интересного.

Маленькая задачка:

Вопрос:
Что есть волна?

Ответы:
1. Волна в воде — колебание частиц в среде — воде.
2. Звуковая волна — колебание частиц в среде — воздухе.
3. Световая волна — колебание ? в ?? — физическом вакууме.

Задачка по проще: Чему равно ? и ??…

P.S. Эх жаль, что «околосветовые» пишется без пробела. Ух этот коварный русский язык 🙂

Скорость света

Литература

Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. Физика 11. Учебник. М.: Просвещение, 2004.

Цели урока

Рассмотреть различные способы измерения скорости света.

 

На данном уроке компьютерные модели используются для объяснения нового материала.

 






№ п/п Этапы урока Время, мин Приемы и методы
1 Организационный момент 2
2 Опрос по теме «Корпускулярная и волновая теории света» 10 Устный опрос
3 Объяснение нового материала по теме «Скорость света» 30 Работа с моделями «Опыт Физо» и «Опыт Майкельсона»
4 Объяснение домашнего задания 3

 

Домашнее задание: § 59.

 



Опыт Физо

 



Опыт Майкельсона

Методические рекомендации к уроку

При объяснении нового материала используется демонстрация интерактивных моделей «Опыт Физо» и «Опыт Майкельсона». Способ демонстрации определяется техническими возможностями используемого учебного кабинета. Возможны следующие варианты:

  • Демонстрация модели учителем с использованием мультимедийного проекционного оборудования.
  • Демонстрация модели учителем с использованием системы удаленного управления персональными компьютерами учащихся, например NetOp School.
  • Работа учащихся с моделью непосредственно на учебных ПК во время объяснения нового материала учителем и под его контролем.

На уроке по теме «Скорость света» рассматриваются астрономический метод измерения скорости света и лабораторные методы измерения скорости света. Объяснение лабораторных методов измерения скорости света, как правило, вызывает затруднения в связи с отсутствием плакатов в школьных кабинетах, сложностью обсуждаемых экспериментов, большим количеством элементов экспериментальных установок. Интерактивные модели позволяют показать учащимся ход эксперимента и результат, который был получен в эксперименте. Для сильных классов можно повторить вычисления, проведенные Физо и Майкельсоном и сравнить полученные результаты с данными в таблице задачника.

Теория к уроку

Опыт Физо

В 1849 г. французский физик Арман Ипполит Луи Физо (23.11.1819–18.09.1896, Париж, Франция) первым поставил лабораторный опыт по измерению скорости света с использованием метода вращающегося затвора. В установке Физо узкий луч света разбивался на импульсы, проходя сквозь промежутки между выступами на окружности быстро вращающегося диска. Импульсы попадали на зеркало, расположенное на расстоянии L = 8,66 км от источника и ориентированное перпендикулярно ходу луча. Экспериментатор, изменяя скорость вращения колеса, добивался, чтобы отраженный свет попадал в промежуток между зубцами. На диске Физо было 720 выступов. Зная величину расстояния между зубцами и скорости вращения колеса, при которой свет попадает в следующий промежуток, можно рассчитать значение скорости света.

Полученный Физо результат для скорости света составил 313 247 304 м/с. В дальнейшем ряд исследователей усовершенствовали метод, используя различные варианты затворов. В частности, американский физик А. Майкельсон разработал весьма совершенный метод измерения скорости света с применением вращающихся зеркал. Это позволило существенно уточнить значение скорости света.

Пример расчетной операции для варианта, при котором экспериментатор добивается исчезновения света в окуляре прибора

Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и за время движения импульса света до зеркала и обратно место прорези на колесе занял соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно:


окажется равным времени поворота зубчатого колеса на ширину прорези:


Здесь L – расстояние от зубчатого колеса до зеркала, T1 – период вращения зубчатого колеса, ν1 = 1 / T1 – частота вращения, при которой в первый раз исчезает световой поток в окуляре, N – число зубцов. Так как t = t1, получаем расчетную формулу для определения скорости света данным методом:

Пример расчетной операции для варианта, при котором экспериментатор добивается появления света после исчезновения в окуляре прибора

Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и за время движения импульса света до зеркала и обратно место первой прорези на колесе заняла следующая за ней прорезь. Тогда свет сможет вновь пройти до окуляра и в окуляре вновь станет светло. Это наступит при условии, что время прохождения света туда и обратно:


окажется равным времени поворота зубчатого колеса на суммарную ширину зубца и прорези (шаг зубчатого колеса):


Получаем расчетную формулу для определения скорости света данным методом: c = 2LNν2, где ν2 = 1 / T2 – частота вращения, при которой в окуляре вновь появляется свет после первого исчезновения.

Опыт Майкельсона

В течение всей своей жизни американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (19.12.1852–09.05.1931) совершенствовал методику измерения скорости света. Создавая все более сложные установки, он пытался получить результаты с минимальной погрешностью. В 1924–1927 годах разработал схему опыта, в котором луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио. В качестве вращающегося затвора было использовано вращающееся зеркало, изготовленное с чрезвычайной точностью и приводимое в движение специально разработанным устройством.

 

«Подготовка опыта велась с большой тщательностью. Было выбрано место для двух установок. Одна из них помещалась на уже знакомой ему вершине горы Маунт-Вильсон, а другая – на вершине горы Сан-Антонио, известной под прозвищем «Старая плешь», на высоте 5800 м над уровнем моря и на расстоянии 35 км от горы Маунт-Вильсон. Береговой и геодезической службе Соединенных Штатов было поручено точно измерить расстояние между двумя отражающими плоскостями – вращающимся призматическим зеркалом на Маунт-Вильсон и неподвижным зеркалом на Сан-Антонио. Возможная ошибка при измерении расстояния составляла одну семимиллионную, или долю сантиметра на 35 км. Вращающаяся призма из никелированной стали с восемью зеркальными поверхностями, отполированными с точностью до одной миллионной, была изготовлена для опыта бруклинской компанией «Сперри джироскоп компани», президент которой, инженер-изобретатель Эльмер А. Сперри, был другом Майкельсона. Кроме того, было изготовлено еще несколько стеклянных и стальных призм. Восьмиугольный высокоскоростной ротор делал до 528 оборотов в секунду. Он приводился в движение воздушной струей, и его скорость, как и в прошлых опытах, регулировалась при помощи электрического камертона. (Камертон используется не только музыкантами для определения высоты звука. С его помощью можно очень точно определять короткие равные отрезки времени. Можно создать инструмент с нужной частотой, который под действием электрического тока будет вибрировать, подобно электрическому звонку)».

(Бернард Джефф. Майкельсон и скорость света. Перевод с английского Р. С. Бобровой. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. Электронная версия – http://n-t.ru/ri/dj/mc.htm).

 

Начиная с 1924 года, и до начала 1927 года было проведено пять независимых серий наблюдений. Средний результат равнялся 299 798 км в секунду.

Результаты же всех измерений Майкельсона можно записать как c = (299796 ± 4) км/с.

Расчет скорости света

В эксперименте используется восьмигранная призма. Поэтому время поворота призмы на одну грань τ1 = T / 8, τ1 = 1/ 8ν1, где ν1 – частота вращения призмы, при которой свет появляется в первый раз. Таким образом, c = 2L / τ1 = 16Lν1.

Опыт Майкельсона и Морли

Во второй половине XIX века физические воззрения на характер распространения света, действие гравитации и некоторые другие феномены все более явственно стали наталкиваться на трудности. Связаны они были с господствовавшей в науке эфирной концепцией. Идея проведения опыта, который разрешил бы накопившиеся противоречия, что называется, носилась в воздухе.

В 1880-х годах была поставлена серия экспериментов, весьма сложных и тонких по тем временам, – опыты Майкельсона по исследованию зависимости скорости света от направления движения наблюдателя. Прежде чем более подробно остановиться на описании и результатах этих знаменитых опытов, необходимо вспомнить, что представляла собой концепция эфира и как понималась физика света.

Взаимодействие света с "эфирным ветром"

Взгляды XIX столетия на природу света

В начале века восторжествовала волновая теория света, получившая блестящие экспериментальные подтверждения в работах Юнга и Френеля, а позднее – и теоретическое обоснование в труде Максвелла. Свет совершенно бесспорно проявлял волновые свойства, и корпускулярная теория оказалась похоронена под грудой фактов, которые не могла объяснить (возродится она только в начале XX века на совершенно новой основе).

Однако физика той эпохи не могла представить себе распространение волны иначе, чем через механические колебания какой-либо среды. Если свет – волна, и он способен распространяться в вакууме, то ученым не оставалось ничего иного, как предположить, что вакуум заполнен некой субстанцией, благодаря своим колебаниям проводящей световые волны.

Светоносный эфир

Загадочная субстанция, невесомая, невидимая, не регистрируемая никакими приборами, именовалась эфиром. Опыт Майкельсона как раз и призван был подтвердить факт ее взаимодействия с другими физическими объектами.

Майкельсон за работой

Гипотезы о существовании эфирной материи высказывали еще Декарт и Гюйгенс в XVII столетии, но она стала необходима как воздух именно в XIX веке, и тогда же привела к неразрешимым парадоксам. Дело в том, что для того, чтобы, вообще, существовать, эфир должен был обладать взаимоисключающими либо, вообще, физически нереальными качествами.

Противоречия эфирной концепции

Чтобы соответствовать картине наблюдаемого мира, светоносный эфир должен быть абсолютно неподвижным – иначе эта картина постоянно искажалась бы. Но неподвижность его входила в непримиримый конфликт с уравнениями Максвелла и принципом относительности Галилея. Ради их сохранения приходилось признавать, что эфир увлекается движущимися телами.

Помимо того, эфирная материя мыслилась абсолютно твердой, непрерывной и одновременно никоим образом не препятствующей движению тел сквозь нее, несжимаемой и притом обладающей поперечной упругостью, иначе она не проводила бы электромагнитные волны. Кроме того, эфир мыслился как всепроникающая субстанция, что, опять-таки, плохо вяжется с идеей о его увлечении.

Идея и первая постановка опыта Майкельсона

Американский физик Альберт Майкельсон заинтересовался проблемой эфира после того, как прочел в журнале Nature письмо Максвелла, опубликованное после смерти последнего в 1879 году, с описанием неудачной попытки обнаружить движение Земли по отношению к эфиру.

Реконструкция интерферометра 1881 года

В 1881 году состоялся первый опыт Майкельсона по определению скорости света, распространяющегося в различных направлениях относительно эфира, движущимся вместе с Землей наблюдателем.

Земля, перемещаясь по орбите, должна подвергаться действию так называемого эфирного ветра – явления, аналогичного потоку воздуха, набегающего на движущееся тело. Монохроматический световой луч, направленный параллельно этому «ветру», навстречу ему будет двигаться, несколько теряя в скорости, а обратно (отразившись от зеркала) – наоборот. Изменение скорости в том и в другом случае одинаково, но достигается оно за разное время: замедленный «встречный» луч будет дольше находиться в пути. Таким образом, световой сигнал, испущенный параллельно «эфирному ветру», обязательно задержится относительно сигнала, преодолевающего то же расстояние, также с отражением от зеркала, но в перпендикулярном направлении.

Для регистрации этой задержки использовался изобретенный самим Майкельсоном прибор – интерферометр, работа которого основана на явлении наложения когерентных световых волн. При запаздывании одной из волн интерференционная картина смещалась бы из-за возникающей разности фаз.

Схема предполагаемого сдвига фаз

Первый опыт Майкельсона с зеркалами и интерферометром не дал однозначного результата вследствие недостаточной чувствительности прибора и недоучета многочисленных помех (вибраций) и вызвал критику. Требовалось существенное повышение точности.

Повторный опыт

В 1887 году ученый повторил эксперимент совместно со своим соотечественником Эдвардом Морли. Они использовали усовершенствованную установку и особенно позаботились об исключении влияния побочных факторов.

Суть опыта не изменилась. Световой пучок, собранный при помощи линзы, падал на полупрозрачное зеркало, установленное под углом 45°. Здесь он делился: один луч проникал сквозь делитель, второй уходил в перпендикулярном направлении. Каждый из лучей затем отражался обычным плоским зеркалом, возвращался на светоделитель, после чего частично попадал на интерферометр. Экспериментаторы были уверены в существовании «эфирного ветра» и рассчитывали получить вполне измеряемый сдвиг более чем на треть интерференционной полосы.

Схема опыта Майкельсона

Нельзя было пренебрегать движением Солнечной системы в пространстве, поэтому идея опыта предусматривала возможность поворачивать установку с целью точной настройки на направление «эфирного ветра».

Чтобы избежать вибрационных помех и искажений картины при поворотах прибора, вся конструкция была размещена на массивной каменной плите с деревянным тороидальным поплавком, плавающей в чистой ртути. Фундамент под установкой был заглублен до скальной породы.

Результаты опытов

Ученые проводили тщательные наблюдения в течение года, вращая плиту с прибором по часовой стрелке и против. Интерференционная картина фиксировалась по 16 направлениям. И, несмотря на беспрецедентную для своей эпохи точность, опыт Майкельсона, проведенный в сотрудничестве с Морли, дал отрицательный результат.

Синфазные световые волны, уходящие со светоделителя, достигали финиша без сдвига фаз. Это повторялось всякий раз, при любом положении интерферометра и означало, что скорость света в опыте Майкельсона ни при каких обстоятельствах не менялась.

Проверка результатов эксперимента проводилась неоднократно, в том числе и в XX веке с применением лазерных интерферометров и микроволновых резонаторов, достигающих точности в одну десятимиллиардную скорости света. Итог опыта остается незыблемым: эта величина неизменна.

Установка для опыта 1887 года

Значение эксперимента

Из опытов Майкельсона и Морли следует, что «эфирный ветер», а, следовательно, и сама эта неуловимая материя просто не существует. Если какой-либо физический объект принципиально не обнаруживается ни в каких процессах, это равнозначно его отсутствию. Физики, включая и самих авторов блестяще поставленного эксперимента, далеко не сразу осознали крушение концепции эфира, а вместе с ним – и абсолютной системы отсчета.

Непротиворечивое и при этом революционно новое объяснение результатов опыта удалось представить только Альберту Эйнштейну в 1905 году. Рассмотрев эти результаты как есть, без попыток притянуть к ним умозрительный эфир, Эйнштейн получил два вывода:

  1. Никаким оптическим экспериментом нельзя обнаружить прямолинейное и равномерное движение Земли (право считать его таковым дает кратковременность акта наблюдения).
  2. Относительно любой инерциальной системы отсчета скорость света в вакууме неизменна.

Эти выводы (первый – в сочетании с галилеевским принципом относительности) послужили Эйнштейну основой для формулировки его знаменитых постулатов. Так что опыт Майкельсона – Морли послужил прочной эмпирической базой специальной теории относительности.

Опыт Майкельсона-Морли / Sandbox / Habr

Опытом Майкельсона-Морли я заинтересовался еще во времена моей учебы в университете – давно это было. Здесь у меня подборка из интернета – несколько «нарезок» в сокращенном виде:

Специальная теория относительности была разработана Альбертом Эйнштейном и его предшественниками на основе, главным образом, опыта Майкельсона-Морли (1881, 1887 гг.), не выявившего эфирного дрейфа (ether drift) — эксперимента по определению скорости движения Земли относительно светоносной среды (эфира).

Суть опыта Майкельсона-Морли заключалась в том, что в интерферометре использовался расщепленный световой луч, который проходил прямой и обратный путь в продольном и поперечном направлениях по отношению к движению поверхности Земли. Результирующий пучок света, возвратившегося на полупрозрачное зеркало, позволял наблюдать интерференционную картину смещения интерференционных полос и выявлять малейшую десинхронизацию двух лучей — запаздывание одного луча относительно другого.

Этот опыт был проведён в конце XIX в и позднее, у разных экспериментаторов показав либо «нулевые» (или «отрицательные»), либо положительные результаты с определённым звёздным апексом. Различные специалисты, вплоть до нобелевских лауреатов, подвергают критике как саму постановку экспериментов, подобных опытам Майкельсона-Морли, так и полученные на их основе теоретические выкладки.

Это и не удивительно, ведь по результатам эксперимента Майкельсона–Морли была создана специальная теория относительности. Значение эксперимента действительно трудно переоценить, ибо он должен был подтвердить наличие светоносной среды – эфира, гипотезу которого после этого эксперимента релятивисты отвергли и приняли теорию относительности. И хотя отсутствие, согласно опытам Майкельсона-Морли, «эфирного ветра» еще не доказывало отсутствие эфира, релятивисты из своего позитивистского идеалистического понимания «простоты» научной концепции, решили от него избавиться. В то время позитивисты объявили субстанциональные понятия вроде «материи» пережитками метафизики.

Искушенный читатель понимает, что для обожествления идеи требуются совершенно иные качества психики, чем строгий научный подход. Механизмы генезиса и экспансии релятивизма ничем особенным не отличаются от аналогичных процессов зарождения и распространения, скажем, религиозных верований и мифов.

Я, признаюсь, когда интересовался этим опытом, никаких доказательств теории относительности в нем не нашел – мозги, наверное, устроены не так как у гениев. Речь там шла о попытках замера скорости света в направлениях вдоль и поперек движения поверхности Земли. Эта скорость, согласно интерпретации результатов замеров в опытах Майкельсона-Морли и их последователей, оказалась одинаковой, т.е. постоянной. Ну и что? Скорость звука в неподвижном воздухе тоже постоянна во всех направлениях – в стране слепых из этого факта могли бы тоже соорудить какую-то сногсшибательную теорию. Да и вообще, с какого перепугу скорость света не должна быть постоянной в пределах Земли. Разве инертная масса, которой обладают и частицы света, зависит от перемещения вдоль или поперек движению Земли, или есть хотя бы гипотеза на этот счет?

Смотрю дальше, что еще есть в моих записях из интернета на этот счет:

Семиков С.А. Доклад по дисциплине «История и методология науки» от 20.12.2008

Был мир земной кромешной тьмой окутан.

Да будет свет – и вот явился Ньютон.

Но Сатана недолго ждал реванша:

Пришёл Эйнштейн. И стало всё как раньше.

Что же привело к столь радикальному пересмотру классической механики? Началось всё в 1881 г. с опыта Майкельсона. В опыте делалась попытка установить скорость движения Земли в эфире – среде, в которой согласно электродинамике распространялся свет. Для этого сравнивали времена движения луча света в интерферометре Майкельсона-Морли вдоль и поперёк скорости движения Земли. Понятно, что скорость света в эфире вдоль и поперёк получилась бы разная и разными бы вышли времена движения. Но опыт обнаружил равенство времён, что говорило о ложности теории эфира и основанной на нём максвелловской электродинамики. Однако учёные уже настолько уверовали в электродинамику, что предпочли видоизменить механику, дабы подогнать результат опыта под электродинамику.

Четверостишие, приведенное выше, если не ошибаюсь, это две эпиграммы в переводе Самуила Маршака. Не имея возражений против воззрений автора доклада, я позволю себе придраться к фактору использования языка – раздел ведь относится к терминологии: раздел сайта я имею ввиду. Так вот, правильное использование языка предполагает, с моей точки зрению, и правильную интерпретацию сообщений, сооруженных посредством слов. А с этой точки зрения никакой такой скорости света или «равенства времен» в опыте Майкельсона-Морли не замерялось. Фиксировались лишь результаты интерференции волн, по которой судили о скорости света. При этом делалась масса произвольных, хотя и более-менее правдоподобных допущений. Допущений о том, что скорость света в прямом и обратном направлениях его движения одинакова; о том, что частота света в этих направлениях тоже одинакова; о том, что временем отражения света можно пренебречь; о том, что процесс взаимодействия прибора со световым лучом не вносит искажения в интерференцию, и прочая.

В моих примечаниях по поводу опыта Майкельсона-Морли так и было записано: Опыт обнаружил не «равенство времен», а лишь результат замеров, который, в частности, можно интерпретировать как равенство времен.

Майкельсон и скорость света. Раритетные издания. Наука и техника

Бернард Джефф

12. Завершение круга

Не так уж часто приходится человеку семидесяти с лишним лет возвращаться к работе, которой он занимался в молодости, чтобы попытаться уточнить результаты и без того весьма точных и надежных исследований, потому что все считают, что никто другой не сможет это сделать лучше его. Такая завидная возможность представилась Майкельсону.

В 1923 году Джордж Эллери Хэл, директор обсерватории Маунт-Вильсон, предложил Майкельсону приехать в Пасадену и провести новое определение скорости света. Майкельсон принял его предложение с восторгом. Он давно уже ждал случая уточнить результаты своего знаменитого измерения 1882 года. Он быстро собрался и выехал в Калифорнию, где организовал свой штаб у подножия горы Маунт-Вильсон.

Подготовка опыта велась с большой тщательностью. Было выбрано место для двух установок. Одна из них помещалась на уже знакомой ему вершине горы Маунт-Вильсон, а другая – на вершине горы Сан-Антонио, известной под прозвищем «Старая плешь», на высоте 5800 м над уровнем моря и на расстоянии 35 км от горы Маунт-Вильсон. Береговой и геодезической службе Соединенных Штатов было поручено точно измерить расстояние между двумя отражающими плоскостями – вращающимся призматическим зеркалом на Маунт-Вильсон и неподвижным зеркалом на Сан-Антонио. Возможная ошибка при измерении расстояния составляла одну семимиллионную, или долю сантиметра на 35 км. Вращающаяся призма из никелированной стали с восемью зеркальными поверхностями, отполированными с точностью до одной миллионной, была изготовлена для опыта бруклинской компанией «Сперри джироскоп компани», президент которой, инженер-изобретатель Эльмер А. Сперри, был другом Майкельсона. Кроме того, было изготовлено еще несколько стеклянных и стальных призм. Восьмиугольный высокоскоростной ротор делал до 528 оборотов в секунду. Он приводился в движение воздушной струей, и его скорость, как и в прошлых опытах, регулировалась при помощи электрического камертона. (Камертон используется не только музыкантами для определения высоты звука. С его помощью можно очень точно определять короткие равные отрезки времени. Можно создать инструмент с нужной частотой, который под действием электрического тока будет вибрировать, подобно электрическому звонку.)

Сперри также предложил своему другу усовершенствованный прожектор, работающий от сильной дуги, построенный им незадолго до этого для военных целей. Престон Р. Бассет, инженер, возглавлявший работу над прожектором и позднее ставший президентом компании, разработал для этого эксперимента специальный механизм с дуговой лампой и сам отвез его летом 1924 года в Калифорнию. Для участия в проведении опыта из Чикаго приехал Фред Пирсон.

Новое измерение скорости света

Майкельсон, подобно капитану на мостике корабля, с увлечением руководил подготовкой операции, вникая в каждую мелочь. Были приняты все возможные меры предосторожности, чтобы исключить или свести к минимуму погрешности. Ученый мир с интересом наблюдал за приготовлениями. Наконец все было готово, и свет от дуговой лампы был направлен к зеркалу на Сан-Антонио и отразился на вращающуюся призму на горе Маунт-Вильсон (рис. 12). Измерения проводились каждую ясную ночь с десяти часов вечера до полуночи, и каждая серия наблюдений продолжалась несколько недель. Результаты измерений ежедневно поступали в штаб Майкельсона в Пасадене.

Рис. 12. Усовершенствования, внесенные Майкельсоном в свою установку.
Принцип остался тот же (основным изменением было увеличение пути светового луча).

Начиная с 1924 года и до начала 1927 года было проведено пять независимых серий наблюдений. Средний результат равнялся 299 798 км в секунду.

Но Майкельсон все еще не был вполне удовлетворен. Он надеялся, что, если увеличить длину пути светового луча и перенести опыт в другую местность, ему удастся получить еще более точное определение. В своем сообщении об опыте на горе Сан-Антонио [33] он писал: «Успех измерений на расстоянии 22 миль, большинство из которых проводились не в самых благоприятных условиях (туман и дым от лесных пожаров), указывает на целесообразность проведения опыта на значительно большем расстоянии».

Для такого опыта он выбрал гору Сан-Хасинто, расположенную в 130 км от горы Маунт-Вильсон. Он даже провел предварительное испытание. Но свет от дуговой лампы на обратном пути так сильно ослаблялся дымом и туманом, что от этой идеи пришлось отказаться.

Майкельсон вернулся в Чикаго и в ноябре 1928 года поехал в Вашингтон на юбилейную научную конференцию в Национальном бюро стандартов. Она была созвана Оптическим обществом Америки в честь пятидесятилетия со времени опубликования первой работы Майкельсона (1878 год) о скорости света и в знак признания его огромных заслуг в области оптики. Эта конференция неофициально так и называлась – «майкельсоновская конференция», а сам Майкельсон, разумеется, был на ней почетным гостем.

Заключительная попытка

В следующем году у Майкельсона, которому было в то время семьдесят семь лет, произошло серьезное кровоизлияние в мозг. Он ушел в отставку из университета, много рисовал и ходил пешком, стараясь восстановить пошатнувшееся здоровье. Это было нелегко. Однако он не переставал мечтать о возвращении к исследованию скорости света; он надеялся, что, набравшись сил, проведет еще одно определение. Он вернулся к тому, с чего начинал более пятидесяти лет назад. Он лелеял мысль избавиться от помех в виде тумана, дыма и даже самой прозрачной атмосферы. Он хотел поставить опыт так, чтобы луч проходил через пустоту, если это будет возможно, через почти абсолютный вакуум.

И тут Майкельсон опять получил приглашение в Пасадену. «Хэл сказал, что Маунт-Вильсон и Калтеч – в моем распоряжении, – рассказывал он. – Искушение было слишком велико. Я поехал». Ему были предоставлены все необходимые средства и аппаратура. Фонд Рокфеллера выделил на проведение опыта 30 000 долларов, корпорация Карнеги – 27 500 долларов, а Чикагский университет – 10 000 долларов.

Местом для грандиозного опыта выбрали ранчо Ирвина неподалеку от города Санта Ана в Южной Калифорнии. Береговой и геодезической службе Соединенных Штатов опять было поручено измерение расстояния. Из листов рифленой стали были скатаны гигантские трубы. Состояли они из 18-метровых секций диаметром около метра, склепанных воедино. Получилась труба длиной более 1,5 км. Она обошлась в 50 тысяч долларов. В нее можно было проникнуть через четыре люка – два на концах и два в основной секции трубы. «Сперри джироскоп компани» опять изготовила вращающиеся стальные зеркала – с 8, 16 и 32 гранями. Кроме того, было изготовлено 32-гранное зеркало из первоклассного оптического стекла.

Трубу запаяли и специальными насосами несколько дней и ночей подряд откачивали из нее воздух, пока давление в трубе не опустилось до 0,5 мм рт. ст. (нормальное давление равно 760 мм рт. ст.). Источником света служила дуговая лампа. Многократно отражаясь, свет должен был пройти путь примерно 16 км. Впервые в истории измерение скорости света производилось почти в абсолютном вакууме.

Между тем здоровье Майкельсона оставляло желать лучшего. Он так и не смог оправиться настолько, чтобы собственноручно проводить измерения. Ими занимались Фрэнсис Г. Пиз и Фред Пирсон; они же и сводили воедино результаты. В течение 1930 года и начала 1931 года были проведены сотни наблюдений. Майкельсон руководил работами, лежа в постели. Один он никогда не справился бы с то и дело возникавшими проблемами, требующими немедленного разрешения. Каждый раз, когда что-то портилось в аппаратуре, приходилось пускать в трубу воздух, чтобы можно было туда проникнуть и исправить повреждение. А потом нужно было ждать сорок восемь часов, пока насосы снова откачают воздух. Тепловые волны искажали световое изображение, поэтому большую часть работы приходилось делать ночью, когда становилось прохладно.

В начале 1931 года, когда работа была еще далека от завершения, а Майкельсон как будто оправлялся от последствий болезни, в Пасадене проходила научная конференция, на которой присутствовал Эйнштейн и многие крупные ученые из разных стран. 15 января должен был состояться банкет в честь доктора Эйнштейна и его супруги. Майкельсон, конечно, тоже был приглашен. Чувствовал он себя тогда достаточно хорошо и был очень рад возможности присутствовать на этом торжественном собрании, которое состоялось в только что построенном великолепном здании Афиниума.

Эйнштейн произнес небольшую речь. Поблизости от него сидели крупнейшие ученые – Майкельсон, Милликен, Хэл и другие. «Я рад оказаться в обществе тех, – начал Эйнштейн, – которые в течение многих лет были мне верными товарищами в работе». Затем, повернувшись к Майкельсону, он продолжал: «Вы, уважаемый доктор Майкельсон, начали свои исследования, когда я был еще мальчишкой. Вы открыли физикам новые пути и своими замечательными экспериментами проложили дорогу для теории относительности. Вы вскрыли ошибочность эфирной теории света и стимулировали идеи Лоренца и Фитцджеральда, из которых развилась специальная теория относительности. Без вашей работы эта теория была бы и поныне лишь интересным предположением; она получила первое реальное подтверждение в ваших опытах».

Майкельсон был глубоко взволнован. Это была самая высокая похвала. Он встал, чтобы поблагодарить за столь щедрую оценку его заслуг. Майкельсон редко произносил речи, а когда ему случалось выступать, всегда говорил кратко и по существу. И на этот раз он не изменил себе. Он поблагодарил Эйнштейна от своего имени и от имени своего покойного сотрудника Эдуарда Морли, умершего восемь лет тому назад. Майкельсон никогда не забывал отдать должное своим сотрудникам и помощникам.

Это было последним публичным выступлением Майкельсона. Он попытался вернуться к работе, но 1 марта не смог встать с постели. Начался постепенный паралич, и он стал быстро слабеть. Между тем из Санта Ана поступали все новые данные. Собрав последние силы, Майкельсон медленно, но четко продиктовал Пизу вступление к статье, которая должна была подвести окончательный итог опытам. Эту статью следовало послать для опубликования в «Астрофизикал джорнал».

Состояние Майкельсона продолжало ухудшаться, но он отказывался признать, что серьезно болен. «Мое здоровье налаживается» – оптимистически писал он за сорок восемь часов до того, как впал в бессознательное состояние. Возле него находились жена, одна из дочерей и две сиделки. К ним присоединились Пиз и Пирсон. В двенадцать часов пятьдесят пять минут 9 мая 1931 года Майкельсон тихо скончался, не приходя в себя.

Пастор местной юнионистско-либеральной церкви отслужил у него в доме очень скромную и короткую службу. По просьбе вдовы Майкельсона сообщение о его смерти появилось в печати лишь после похорон. На похоронах присутствовали жена Майкельсона, Эдна, их три дочери – Мадлен, Дороти и Беатрис – и еще несколько родственников и ближайших друзей. Милликен, Хэл и Хэббл вынесли гроб к катафалку. Тело, согласно желанию Майкельсона, было кремировано, и прах развеян по ветру.

Ученые всего мира отмечали его заслуги перед наукой. Эйнштейн узнал о смерти Майкельсона в Англии, где он читал курс лекций в Оксфорде. «Доктор Майкельсон был одним из величайших художников в мире научного эксперимента» – сказал он.

Трое ближайших сотрудников Майкельсона по Чикагскому университету, – Форест Р. Моултон, Генри Дж. Гейл и Гарвей Б. Лемон, знавшие его в течение четверти века, писали в некрологе:

«Его жизнь была великолепным примером целеустремленности, неподвластной превратностям судьбы. Казалось, даже, силы любви, ненависти, ревности, зависти, тщеславия почти не задевали его. Поглощенный научными исследованиями, он в общем довольно безразлично относился к людям в целом, но тем не менее у него были преданные друзья, дружбу которых он бережно хранил… Основным содержанием и целью его жизни были научные занятия, эстетическое наслаждение, получаемое от работы… Ему была чужда спешка, суета. Его не бросало в жар при мысли, что для науки или всего человечества наступил решительный момент. Он не трепетал, стоя на пороге великого открытия…

Он был мягок и спокоен и лишен всякой аффектации, как море в солнечный день – безмятежное, необозримое, неизмеримое… Такой характер можно чувствовать, но нельзя анализировать. Майкельсон никому не открывал своей души, но все понимали, что в глубине ее таится многое, недоступное взорам. Очень мало людей знали его близко».

После смерти Майкельсона работы по измерению скорости света в вакуумной трубе длиной более 1,5 км продолжались еще почти два года. В 1933 году во время землетрясения в Лонг Бич установка оказалась разрушенной, но к этому времени все наблюдения были уже закончены. Всего было сделано 2885 определений. Средняя скорость света в вакууме оказалась равной 299 774 км в секунду. Эта цифра была на 24 км меньше цифры, найденной во время опытов на вершинах двух гор. Международный геофизический и геодезический союз и Международный научный союз по вопросам радио приняли значение скорости света, равное 299 792,5 км в секунду*. Эта цифра лежит в пределах экспериментальной ошибки определения Майкельсона.

* Это значение принято в 1957 году на основании многочисленных новых измерений разными методами. Его ошибка оценивается в ±0,4 км/с. – Прим. ред.

Заглавие статьи, содержавшей сообщение о последнем опыте Майкельсона, перекликалось с заглавием его первой работы, опубликованной более чем за полвека до этого, когда он еще был лейтенантом Майкельсоном. Она называлась «О методе измерения скорости света». Последняя работа, озаглавленная «Измерение скорости света в частичном вакууме» [35], явилась завершением великого вклада Майкельсона в науку.

Продолжение поисков

В научных исследованиях не бывает последнего слова или окончательного решения. Если бы Майкельсон пришел сегодня в крупнейшие научные лаборатории мира, он обнаружил бы, что исследователи все еще бьются над теми же проблемами, которые пытались разрешить он и другие ученые его времени. Казавшиеся твердо установившимися научные идеи непрестанно ниспровергаются, заменяются, расширяются или дополняются. Так произошло с законами Ньютона, видоизмененными Эйнштейном. А как обстоит дело со скоростью света – этой постоянной, которую Майкельсон, казалось бы, изловил раз и навсегда? Относительно нее тоже существуют сомнения. Ученые снова и снова подступались к ней с новыми приборами и новыми методами. В 1939 году две группы исследователей – одна в Гарвардском университете, а другая в Германии, – использовав так называемый электронный световой затвор (ячейка Керра), получили несколько различные результаты: 299 798 км/сек в США и 299 799 км/сек в Германии. Два года спустя ученые национального бюро стандартов получили цифру 299 795 км/сек. В 1951 году капитан Береговой и геодезической службы США Карл И. Аслаксон при испытании радарной системы получил величину, равную 299 805 км/сек. Три года спустя группа английских ученых повторила его результат.

Было высказано предположение, что скорость света все же не является постоянной величиной. Некоторые ученые утверждают, что она изменилась, указывая на разницу в результатах измерений, проделанных до второй мировой войны и после нее с промежутком в десять лет. Она составляет приблизительно 16 км в секунду. Профессор Техасского технологического колледжа Дж.Х. Раш считает, что «к этому нельзя относиться с излишней легкостью и объяснять неизбежными техническими погрешностями». Раш считает, что «Новые измерения могут привести к новому открытию». И поиски продолжаются*.

* Для сомнений в точности и постоянстве современного значения величины скорости света в настоящее время нет оснований. – Прим. ред.

А как обстоит дело с вопросом об эфире? В 1899 году Майкельсон коснулся этой проблемы в своих лоуэлловских лекциях. «Предположим, – сказал он, – что сжатие эфира соответствует электрическому заряду, смещение эфира – электрическому току, эфирные вихри – атомам; если мы продолжим эти предположения, то придем к выводу, который может явиться одним из величайших обобщений современной науки, – что все явления физической Вселенной суть лишь различные выражения многообразных видов движения одного всепроникающего вещества – эфира. Мне представляется, что недалек тот день, когда линии многих, казалось бы, отдаленных областей мысли, наконец, сойдутся на одной общей плоскости. Тогда и природа атома, и характер химической связи атомов, и взаимодействие между ними, и непрерывный эфир, заявляющий о себе через свет и электричество, и структура молекулы, и объяснение сцепления, упругости и притяжения – все это найдет свое место в единой и последовательной системе научного знания».

С тех пор прошло более шестидесяти лет, но пророчество Майкельсона все еще не осуществилось. Свет и другие виды электромагнитного излучения по-прежнему не нуждаются в какой-либо проводящей среде. Идея эфира окончательно отвергнута в значительной степени благодаря гению Майкельсона.

 


Эпилог

• Оглавление

Дата публикации:

27 октября 2003 года

Майкельсон, Альберт Абрахам — Википедия

Альбе́рт Абраха́м Ма́йкельсо́н (англ. Albert Abraham Michelson; 19 декабря 1852, Стрельно, Пруссия — 9 мая 1931, Пасадина, США) — американский физик, известен изобретением названного его именем интерферометра Майкельсона и прецизионными измерениями скорости света. В 1907 году стал лауреатом Нобелевской премии по физике «за создание точных оптических инструментов и спектроскопических и метрологических исследований, выполненных с их помощью».

Член (1888)[6] и президент (1923—1927) Национальной академии наук США, иностранный член Лондонского королевского общества (1902)[7], иностранный член-корреспондент (1924) и почётный член (1926) Академии наук СССР[8].

Альберт Абрахам Майкельсон

Родился одним из шестерых детей в еврейской семье[9], в польской части Прусского королевства. Его отец, Самуил Михельзон, был занят в торговле; мать — Розалия Михельзон (урождённая Прилубская), была дочерью Абрама Прилубского из Иновроцлава[10]. Когда мальчику было два года (1855), его родители эмигрировали в Нью-Йорк (США), где их фамилия стала произноситься как «Майкельсон». Оттуда семья перебралась на запад страны, сначала жила в шахтёрских поселениях Мэрфис (в Калифорнии) и в Вирджиния-Сити (Невада), где отец развил успешный бизнес по торговле сухофруктами[11]. В школьные годы Альберт Майкельсон жил в Сан-Франциско, в семье тёти — Генриетты Леви (матери писательницы Хэрриет Лэйн Леви, двоюродной сестры учёного).

В 1869 году Майкельсон приступил к обучению в Военно-морской академии США в Аннаполисе. В 1873 году завершил обучение. С самого начала своего обучения Майкельсон очень интересовался наукой и в особенности проблемой измерения скорости света. После продолжения, в течение двух лет, обучения в Европе он уходит с военной службы. В 1883 году становится профессором физики в школе прикладных наук в Кливленде и сосредоточивается на разработке улучшенного интерферометра.

После 1889 года работает профессором в Университете Кларка в Вустере. В 1892 году становится профессором и руководителем физического отделения новооснованного Чикагского университета. В 1907 году Майкельсон становится первым американцем, получившим Нобелевскую премию по физике. В этом же году за выдающиеся достижения в экспериментальной физике Майкельсон получил также медаль Копли.

Первые измерения[править | править код]

Уже в 1877 году, в бытность свою офицером ВМС США, Майкельсон начинает усовершенствовать метод измерения скорости света при помощи вращающегося зеркала, предложенного Леоном Фуко. Идеей Майкельсона было применить лучшую оптику и более длинную дистанцию. В 1878 году он произвёл первые измерения на довольно кустарной установке. Эта работа привлекла внимание Саймона Ньюкома — директора Nautical Almanac Office, который также планировал заняться подобными экспериментами. Майкельсон опубликовал свой результат 299 910±50 км/с в 1879 году. После этого он переехал в Вашингтон (США), чтобы помочь в проведении опытов Саймона Ньюкома. Так начались дружба и сотрудничество между двумя учёными.

Ньюком получил в своих опытах, которые лучше финансировались, значение скорости света 299 860±30 км/с, которое совпадало в пределах ошибок измерений со значением Майкельсона. Майкельсон и далее усовершенствовал свой метод; он опубликовал в 1883 году значение 299 853±60 км/с.

Маунт-Вильсон и время до 1926 года[править | править код]

В 1906 году Е. Б. Роза и Н. Е. Дорси измерили скорость света при помощи нового, электрического метода. В их экспериментах они получили значение 299 781±10 км/с.

После 1920 года Майкельсон приступил к «финальному» измерению скорости света в обсерватории Маунт-Вильсон, причём базой для измерения служила дистанция длиной 22 мили — до горы Лукаут, находящейся на южной стороне горы Сан-Антонио.

В 1922 году береговая и геодезическая комиссия США приступила к тщательному измерению этой дистанции при помощи недавно изобретённых инвар-лент, которое длилось два года. В 1924 году, когда длина была измерена с точностью 10−6, приступили к измерению скорости света, которое тоже длилось два года и дало значение скорости света 299 796±4 км/с.

Этот знаменитый эксперимент известен также проблемами, возникавшими при его проведении. Например, большой проблемой были лесные пожары, дым от которых приводил к помутнению зеркал. Также вполне возможно, что в геодезические измерения, проведённые с такой огромной точностью, была внесена ошибка за счёт смещения базы при землетрясении в Санта-Барбаре, произошедшем 29 июня 1925 года и имевшем магнитуду 6,3 по шкале Рихтера.

Майкельсон, Пиз и Пирсон в 1932 году[править | править код]

После 1927 года появилось множество измерений скорости света при помощи новых, электро-оптических методов, которые дали существенно меньшие значения скорости света, чем определённое Майкельсоном оптическим методом в 1926 году.

Майкельсон продолжал искать метод измерения, который бы исключил влияние атмосферных возмущений. В 1930 году он приступил, совместно с Фрэнсисом Пизом и Фредом Пирсоном, к измерению скорости света в вакуумированных трубах длиной 1,6 км. Майкельсон умер после 36-го из всего 233 проведённых измерений. Проведению эксперимента мешали в основном геологические нестабильности и конденсация в трубах. В конце концов, эксперименты дали значение 299 774±11 км/с, совпадавшее с результатами электро-оптических методов.

В 1881 году Майкельсон провёл физический опыт (опыт Майкельсона) на своём интерферометре с целью измерения зависимости скорости света от движения Земли. Результат эксперимента был отрицательный погрешность измерения была меньше скорости Земли — таким образом получалось, что скорость света не зависела от скорости движения Земли и от направления измеряемой скорости[12].

В 1887 году Майкельсон, совместно с Э. У. Морли, провёл эксперимент, известный как эксперимент Майкельсона-Морли. В этом эксперименте определялась скорость движения Земли относительно эфира. Вопреки ожиданию, в эксперименте (как и в его более поздних и более прецизионных модификациях, проводящихся до настоящего времени) не обнаружилось движения Земли относительно эфира[12][13]. Эйнштейн в своей первой статье по теории относительности упоминает «неудавшиеся попытки обнаружить движение Земли относительно „светоносной среды“» и на этой основе строит новую универсальную кинематику (уже не только для электромагнитных явлений). Опыт Майкельсона стал основанием и первым экспериментальным подтверждением теории относительности.

В 1920 году Майкельсон провёл эксперимент по измерению углового размера звёзд. Для этого он использовал интерферометр с длиной плеч 6 м. Свет от интерферометра посылался при помощи зеркал на вход 254-сантиметрового телескопа. В телескопе при этом наблюдалась система полос. При удлинении плеч интерферометра полосы исчезали. Из расстояния между зеркалами интерферометра можно было определить угловой размер звезды, а при известном расстоянии до звезды — также её диаметр. Майкельсон определил таким образом диаметр звезды Бетельгейзе.

В 1970 г. Международный астрономический союз присвоил имя Майкельсона кратеру на обратной стороне Луны. В его честь названа медаль Альберта Майкельсона присуждаемая Институтом Франклина[en].

  • А. А. Майкельсон, «Исследование по оптике», Издательство УРСС, Москва, 2004. ISBN 5-354-00945-6
  • Альберт А.Майкельсон, магистр, ВМФ США «Относительное движение Земли и светоносный эфир» (1881 г.). (The relative motion of the Earth and the Luminiferous ether. Albert A. Michelson, Master, U.S.Navy) //The American Journal of Science. 1881. III series. Vol XXII, No. 128. P. 120—129. Перевод с англ. Л. С. Князевой.
  • Альберт А.Майкельсон, Эдвард В.Морли «Об относительном движении Земли и светоносном эфире» (1887 г.) (The relative motion of the Earth and the Luminiferous ether. Albert A. Michelson, Master, U.S.Navy) //The American Journal of Science. 1881. III series. Vol XXII, No. 128. P. 120—129. Перевод с англ. Л. С. Княэевой.
  • А. А. Майкельсон. «Влияние вращения Земли на скорость света. Часть I» (1925 г.) (The effect of the earth’s rotation on the velocity of light. Part. 1. A.A.Michelson) // The Astrophys. J. April 1925. Vol. LXI. № 5. P. 137—139. Перевод с англ. Л. С. Княэевой.
  • А. А. Майкельсон, Генри Г.Гель, При участии Фреда Пирсона. «Влияние вращения Земли на скорость света. Часть II». (1925 г.) (The effect of the earth’s rotation on the velocity of light. Part II. A.A.Michelson, Henry G.Gale. Assisted by Fred Pearson) // The Astrophysical J. April 1925. Vol LXI. № 5. P. 140—145. Перевод с англ. Л. С. Князевой.
  • Конференция по эксперименту Майкельсона-Морли, состоявшаяся в обсерватории Маунт Вилсон, г. Пасадена, Калифорния, 4 и 5 февраля 1927 г. (Conference on the Michelson-Morley experiment. Held at the Mount Wilson Observatory, Pasadena, California, February 4 and 5, 1927) //The Astrophysical Journal. December 1928. Vol. LXVIII, No. 5. P. 341—402. Перевод с англ. В. А. Ацюковского и Л. С. Князевой.
  • А. А. Майкельсон, Ф. Г. Пис и Ф.Пирсон. «Повторение эксперимента Майкельсона-Морли» (1929 г.) (Repetition of the Michelson-Morley experiment. By F.F.Micheson, F.G.Pease and F.Pearson) //Optical Society of America. Journal of the Optical Society of America and Review of Scientific Instumcnts. March 1929. Vol 18, No 3. P. 181—182. Перевод с англ. В. А. Ацюковского.
  • Уилсон М. Американские учёные и изобретатели / Пер. с англ. В. Рамзеса; под ред. Н. Тренёвой. — М.: Знание, 1975. — С. 75-84. — 136 с. — 100 000 экз.
  • Храмов Ю. А. Майкельсон Альберт Абрахам (Michelson, Albert Abraham) // Физики: Биографический справочник / Под ред. А. И. Ахиезера. — Изд. 2-е, испр. и дополн. — М.: Наука, 1983. — С. 174. — 400 с. — 200 000 экз. (в пер.)

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *