Вопыт Майкельсана

Вопыты Майкельсана — клас фізічных эксперыментаў, якія даследуюць залежнасць скорасці распаўсюджвання святла ад кірунку. На 2011 год дакладнасць вопытаў дазваляе знайсці адносныя адхіленні ізатропнасці скорасці святла парадку 10⁻¹⁸, аднак на гэтым узроўні адхіленняў не знойдзена. Вопыты Майкельсана з’яўляюцца эмпірычнай асновай прынцыпу інварыянтнасці скорасці святла, які ўваходзіць у агульную тэорыю адноснасці (АТА) і спецыяльную тэорыю адноснасці (СТА).

Тэорыя правіць

Вылічаем агульны час $t_{1}$ , выкарыстоўваючы суму часоў двух шляхоў:

t_{1}={\frac {L_{1}}{c+v}}+{\frac {L_{1}}{c-v}}={\frac {2cL_{1}}{c^{2}-v^{2}}}={\frac {2L_{1}}{c}}{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}\approx {\frac {2L_{1}}{c}}\left(1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}}\right).

Прыбліжэнне звязана з тым, што $(v^{2}/c^{2})\ll 1$ (парадку $10^{-8}$ ), калі бярэцца скорасць абітальнага руху Зямлі $v\approx 30$ км/с, якая пры наяўнасці эфіру была б скорасцю адносна эфіру.

Скорасць эфіру $c=\|\mathbf {v} +\mathbf {v_{1}} \|$ , а $v_{1}=\|\mathbf {v_{1}} \|$ скорасць хвалі у кірунку люстэрка. $c=\|\mathbf {v} +\mathbf {v_{1}} \|={\sqrt {v^{2}+v_{1}^{2}}}$ з гэтага вынікае, што:

v_{1}={\sqrt {c^{2}-v^{2}}}={{c}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}.

Улічваючы сіметрыю, мы можам зараз вылічыць:

t_{2}={\frac {2L_{2}}{c}}{\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\approx {\frac {2L_{2}}{c}}\left(1+{\frac {v^{2}}{2c^{2}}}\right)

Розніца фаз прапарцыянальная:

\delta =c(t_{2}-t_{1})=2\left({{\frac {L_{2}}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}-{\frac {L_{1}}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\right)

$S=|\delta +\delta ^{'}|$ , дзе $\delta ^{'}$ прапарцыянальная рознасці фаз, пры павароце на ${\frac {\pi }{2}}$ :

S=|2L_{1}\left({{\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}-{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\right)+2L_{2}\left({{\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}-{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\right)|\approx (L_{1}+L_{2}){\frac {v^{2}}{c^{2}}}

Было паказана, што з тэорыі эфіру вынікае рознасць, якая паддаецца колькаснай ацэнцы і выяўляецца адпаведнымі сродкамі (інтэрферометр Майкельсана — Морлі (Michelson-Morley)).

Гісторыя правіць

Перадгісторыя правіць

Тэорыя распаўсюджання святла, якая ўключае ў сябе эфір, з’явілася ў XVII стагоддзі. У 1727 годзе англійскі астраном Джэймс Брэдлі патлумачыў праз яе аберацыю святла. Эдуард Кетэлер і Томас Юнг некалькі развілі тэорыю эфіру. У 1868 Хук паставіў вопыт па праверцы тэорыі эфіру на эфекце аберацыі святла ад зямной крыніцы святла. У 1871—1872 гадах Эйры правёў серыю дакладных вопытаў з астранамічнай крыніцай святла, зрабіўшы з іх выснову аб тым, што арбітальны рух Зямлі цалкам захапляе эфір.

Эпоха Майкельсана правіць

Упершыню такі дослед быў пастаўлены Альбертам Майкельсанам на сваім інтэрферометры ў 1881 годзе, з мэтай вымярэння залежнасці скорасці святла ад руху Зямлі адносна эфіру. Пад эфірам тады разумелася асяроддзе, аналагічнае абъёмна размеркаванай матэрыі, у якой святло распаўсюджваецца падобна гукавым ваганням. Вынік эксперыменту, на думку Майкельсана, быў адмоўным — зрушэнні палос не супадаюць па фазе з тэарэтычнымі, а ваганні гэтых зрушэнняў толькі крыху меншыя за тэарэтычныя.

Пазней, у 1887 Майкельсан, сумесна з Морлі, правёў аналагічны, але больш дакладны эксперымент, вядомы як эксперымент Майкельсана-Морлі, і паказаў, што назіранае зрушэнне сапраўды менш ¹⁄₂₀ тэарэтычнага і, верагодна, менш ¹⁄₄₀. У тэорыі незахапляемага эфіру зрушэнне павінна быць прапарцыянальным квадрату скорасці, таму вынікі раўназначныя таму, што адносная скорасць Зямлі ў эфіры менш ¹⁄₆ яе арбітальнай скорасці і несумненна менш ¹⁄₄^[2].

Вопыты Мілера правіць

На думку прафесара Дэйтана К. Мілера (Кейсаўская школа прыкладных навук):

Можна меркаваць, што эксперымент толькі паказаў, што эфір у канкрэтным падвальным памяшканні захапляецца ў падоўжным кірунку разам з ім. Мы збіраемся таму перамясціць апарат на пагорак, каб паглядзець, ці не выявіцца эфект там.

К. Мілер з прафесарам Морлі сканструявалі інтэрферометр больш адчувальны, чым той, які прымяняўся ў першым эксперыменце, з даўжынёй аптычнага шляху 65,3 м, эквівалентнай прыкладна 130 млн даўжынь хваль. К. Мілер чакаў убачыць зрушэнне ў 1,1 паласы^[3]. Восенню 1905 Морлі і Мілер правялі эксперымент на Эўклідавых вышынях ў Кліўлендзе, якія знаходзяцца на вышыні каля 90 м над возерам Эры і каля 265 м вышэй за ўзровень мора. У 1905—1906 гг. было зроблена пяць серый назіранняў, якія далі пэўны станоўчы эфект — каля ¹⁄₁₀ чаканага дрэйфу^[4].

У сакавіку 1921 г. методыка і апарат былі некалькі зменены і атрыманы вынік у 10 км/c «эфірнага ветру». Вынікі былі старанна правераны на прадмет магчымай ліквідацыі недахопаў, звязаных з магнітастрыкцыяй і цеплавым выпрамяненнем. Напрамак кручэння апарата не аказваў уплыву на вынік эксперыменту^[3].

Больш познія даследаванні вынікаў, атрыманых Д. Мілерам, паказалі, што флуктуацыі, якія назіраліся ім і інтэрпрэтаваныя як наяўнасць «эфірнага ветру», з’яўляюцца следствам статыстычных памылак і няўліку тэмпературных эфектаў^[4].

Вопыты Кенэдзі правіць

Доктар Рой Кенэдзі (Каліфарнійскі тэхналагічны інстытут) пасля публікацый вынікаў вопыту Морлі-Мілера відазмяняе вопыт з мэтай праверкі. Інтэрферометр змяшчаецца ў металічны герметычны корпус, запоўнены геліем пад ціскам 1 атм. Выкарыстоўваючы прыстасаванне, здольнае адрозніць вельмі малыя зрушэння інтэрферэнцыйнай карціны, стала магчымым скараціць памер плячэй да 4 м. Выкарыстоўвалася палярызаванае святло з мэтай выключыць наколькі магчыма рассейванне святла на люстэрках. Дакладнасць вопыту адпавядала зрушэнню палос на 2×10⁻³ іх шырыні. На гэтым апараце скорасць 10 км/с, атрыманая Мілерам, давала б зрух, які адпавядае 8×10⁻³ даўжыні хвалі зялёнага колеру, што ў чатыры разы больш найменшага вызначанага значэння. Эксперымент праводзіўся ў лабараторыі Норман Брыдж, у памяшканні з пастаяннай тэмпературай, у розны час дня. Для праверкі залежнасці скорасці эфірнага ветру ад вышыні мясцовасці вопыты праводзіліся таксама на Маўнт Вілсан ў будынку абсерваторыі. Эфект аказаўся не большым за 1 км/с для эфірнага ветру^[4].

Сучасныя варыянты правіць

У 1958 годзе ў Калумбійскім універсітэце (ЗША) быў праведзены яшчэ больш дакладны эксперымент з выкарыстаннем процінакіраваных прамянёў двух мазераў, які паказаў нязменнасць частаты ад руху Зямлі з дакладнасцю каля 10⁻⁹%.

Яшчэ больш дакладныя вымярэнні ў 1974 годзе давялі адчувальнасць да 0,025 м/с. Сучасныя варыянты эксперыменту Майкельсана выкарыстоўваюць аптычныя і крыягенныя мікрахвалевыя рэзанатары і дазваляюць выявіць адхіленне скорасці святла, калі б яно складала некалькі адзінак на 10⁻¹⁸.

Гл. таксама правіць

Гісторыя тэорыі адноснасці

Зноскі

↑ Albert A. Michelson, Edward W. Morley. On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether. The American Journal of Science. III series. Vol. XXII, No. 128, P.120 — 129.
↑ Экспериментальные основания теории относительности. С. И. Вавилов. Собрание сочинений, т.~4, АН СССР, М., 1956 г. (pdf, русс.)(Ч.II. Опыты Майкельсона, его повторения и аналоги.)
↑ ^а ^б (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.
↑ ^а ^б ^в (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

Літаратура правіць

Майкельсона опыт — артыкул з Фізічнай энцыклапедыі
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.

Спасылкі правіць

Физическая энциклопедия, т. 3. — М.: Большая Российская Энциклопедия; стр. 27 и стр. 28.
Г. А. Лоренц. Интерференционный опыт Майкельсона Архівавана 25 красавіка 2011.. Из книги "Versuch einer Theorie der elektrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern. Leiden, 1895, параграфы 89…92.
Об «опыте Майкельсона—Морли» простым языком.

[1] Albert A. Michelson, Edward W. Morley. On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether. The American Journal of Science. III series. Vol. XXII, No. 128, P.120 — 129.

[В1-2] Экспериментальные основания теории относительности. С. И. Вавилов. Собрание сочинений, т.~4, АН СССР, М., 1956 г. (pdf, русс.)(Ч.II. Опыты Майкельсона, его повторения и аналоги.)

[М1-3] а ^б (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.

[М2-4] а ^б ^в (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

[1]

[2]

[3]

[4]