Эксперимент Майкельсона – Морли - Michelson–Morley experiment

Рис. 1. Интерферометрическая установка Майкельсона и Морли , установленная на каменной плите, которая плавает в кольцевом желобе с ртутью.

Эксперимент Майкельсона-Морли была попытка обнаружить существование светоносного эфира , допускаемой средней пронизывающей пространство , которое , как считалось, быть носителем световых волн . Эксперимент проводился в период с апреля по июль 1887 года американскими физиками Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом У. Морли в том, что сейчас называется Западным резервным университетом Кейса в Кливленде , штат Огайо , и опубликован в ноябре того же года.

Эксперимент сравнивал скорость света в перпендикулярных направлениях в попытке обнаружить относительное движение материи через неподвижный светоносный эфир («эфирный ветер»). Результат был отрицательным, так как Майкельсон и Морли не обнаружили существенной разницы между скоростью света в направлении движения через предполагаемый эфир и скоростью под прямым углом. Этот результат обычно считается первым убедительным доказательством против преобладающей в то время теории эфира , а также началом линии исследований, которые в конечном итоге привели к специальной теории относительности , исключающей стационарный эфир. Об этом эксперименте Эйнштейн писал: «Если бы эксперимент Майкельсона – Морли не привел нас в серьезное затруднение, никто бы не счел теорию относительности (половинчатым) искуплением».

Эксперименты типа Майкельсона – Морли повторялись много раз со стабильно возрастающей чувствительностью. К ним относятся эксперименты с 1902 по 1905 год и серия экспериментов в 1920-х годах. Совсем недавно, в 2009 году, эксперименты с оптическим резонатором подтвердили отсутствие эфирного ветра на уровне 10 −17 . Вместе с экспериментами Айвса – Стилвелла и Кеннеди – Торндайка , эксперименты типа Майкельсона – Морли образуют одну из фундаментальных проверок специальной теории относительности .

Обнаружение эфира

Теории физики XIX века предполагали, что точно так же, как поверхностные водные волны должны иметь поддерживающее вещество, то есть «среду», чтобы двигаться поперек (в данном случае вода), так и слышимый звук требует, чтобы среда передавала свои волновые движения (например, воздух или вода), поэтому свету также требуется среда, « светоносный эфир », для передачи его волновых движений. Поскольку свет может проходить через вакуум, предполагалось, что даже вакуум должен быть заполнен эфиром. Поскольку скорость света настолько велика, и поскольку материальные тела проходят сквозь эфир без явного трения или сопротивления, предполагалось, что он обладает весьма необычной комбинацией свойств. Планирование экспериментов по исследованию этих свойств было одним из главных приоритетов физики XIX века.

Земля вращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км / с (18,64 миль / с) или 108 000 км / ч (67 000 миль / ч). Земля находится в движении, поэтому были рассмотрены две основные возможности: (1) эфир неподвижен и лишь частично увлекается Землей (предложено Огюстэном-Жаном Френелем в 1818 г.), или (2) эфир полностью увлекается Землей и, таким образом, разделяет свое движение на поверхности Земли (предложено сэром Джорджем Стоуксом, 1-м баронетом в 1844 году). Вдобавок Джеймс Клерк Максвелл (1865) признал электромагнитную природу света и разработал то, что сейчас называется уравнениями Максвелла , но эти уравнения все еще интерпретировались как описывающие движение волн в эфире, состояние движения которого было неизвестно. В конце концов, идея Френеля о (почти) неподвижном эфире была предпочтительнее, потому что она, казалось, была подтверждена экспериментом Физо (1851 г.) и аберрацией звездного света .

Рисунок 2. Изображение концепции « эфирного ветра ».

Согласно гипотезе стационарного и частично увлеченного эфира, Земля и эфир находятся в относительном движении, что означает, что должен существовать так называемый «эфирный ветер» (рис. 2). Хотя теоретически было бы возможно, чтобы движение Земли соответствовало движению эфира в один момент времени, Земля не могла оставаться в состоянии покоя по отношению к эфиру все время из-за различий в скорости движения. как направление, так и скорость движения. В любой точке земной поверхности сила и направление ветра будут меняться в зависимости от времени суток и сезона. Считалось, что, анализируя скорость возврата света в разных направлениях в разное время, можно измерить движение Земли относительно эфира. Ожидаемая относительная разница в измеренной скорости света была довольно небольшой, учитывая, что скорость Земли на ее орбите вокруг Солнца имеет величину примерно одну сотую одного процента скорости света.

В середине 19 века считалось возможным измерение эффектов эфирного ветра первого порядка, т. Е. Эффектов, пропорциональных v / c ( v - скорость Земли, c - скорость света), но не было прямого измерения скорости свет был возможен с необходимой точностью. Например, аппарат Физо – Фуко мог измерять скорость света с точностью до 5%, что было совершенно недостаточно для непосредственного измерения 0,01% изменения скорости света первого порядка. Поэтому ряд физиков пытались провести измерения косвенных эффектов первого порядка не самой скорости света, а изменений скорости света (см. « Эксперименты с дрейфом эфира первого порядка» ). Эксперимент Хоек , например, был предназначен для обнаружения интерферометрических сдвигов полос из - за различия скорости противоположна распространяющимся световые волны через воду в состоянии покоя. Все результаты таких экспериментов были отрицательными. Это можно объяснить с помощью коэффициента увлечения Френеля , согласно которому эфир и, следовательно, свет частично увлекаются движущейся материей. Частичное перетаскивание эфира помешало бы попыткам измерить любое изменение скорости света первого порядка. Как указал Максвелл (1878 г.), только экспериментальные установки, способные измерять эффекты второго порядка, могут иметь хоть какую-то надежду на обнаружение дрейфа эфира, т. Е. Эффектов, пропорциональных v 2 / c 2 . Однако существующие экспериментальные установки были недостаточно чувствительны для измерения эффектов такого размера.

1881 и 1887 эксперименты

Опыт Майкельсона (1881 г.)

Интерферометр Майкельсона 1881 года . Хотя в конечном итоге он оказался неспособным провести различие между разными теориями увлечения эфира , его конструкция дала важные уроки для разработки инструмента Майкельсона и Морли 1887 года.

У Майкельсона было решение проблемы, как сконструировать устройство, достаточно точное, чтобы обнаруживать поток эфира. В 1877 году, преподавая в своей альма-матер, Военно-морской академии США в Аннаполисе, Майкельсон провел свои первые известные эксперименты со скоростью света в рамках демонстрации в классе. В 1881 году он оставил действующую военно-морскую службу США, завершив учебу в Германии. В том же году Майкельсон использовал прототип экспериментального устройства, чтобы провести еще несколько измерений.

Устройство, которое он сконструировал, позже известное как интерферометр Майкельсона , излучало желтый свет от натриевого пламени (для юстировки) или белый свет (для реальных наблюдений) через полупрозрачное зеркало, которое использовалось для разделения его на два луча. под прямым углом друг к другу. Покинув разделитель, лучи выходили на концы длинных плеч, где они отражались обратно в середину маленькими зеркалами. Затем они воссоединились на дальней стороне разделителя в окуляре, создав картину конструктивной и деструктивной интерференции , поперечное смещение которой будет зависеть от относительного времени, необходимого свету для прохождения продольных и поперечных плеч. Если Земля движется через эфирную среду, лучу света, идущему параллельно потоку этого эфира, потребуется больше времени, чтобы отразиться назад и вперед, чем лучу, движущемуся перпендикулярно эфиру, потому что увеличение времени, прошедшего от движения относительно эфира ветер - это больше, чем время, сэкономленное путешествием с эфирным ветром. Майкельсон ожидал, что движение Земли вызовет сдвиг полосы, равный 0,04 полосы, то есть расстояние между областями одинаковой интенсивности. Он не заметил ожидаемого сдвига; наибольшее среднее отклонение, которое он измерил (в северо-западном направлении), составило всего 0,018 полосы; большинство его измерений было намного меньше. Его вывод заключался в том, что гипотеза Френеля о неподвижном эфире с частичным увлечением эфира должна быть отвергнута, и, таким образом, он подтвердил гипотезу Стокса о полном увлечении эфира.

Однако Альфред Потье (а позже Хендрик Лоренц ) указал Майкельсону, что он сделал ошибку в расчетах и ​​что ожидаемый сдвиг полосы должен был составлять всего 0,02 полосы. Аппарат Майкельсона был подвержен экспериментальным ошибкам, слишком большим, чтобы сказать что-либо окончательное об эфирном ветре. Окончательное измерение эфирного ветра потребует эксперимента с большей точностью и лучшим контролем, чем исходный. Тем не менее, прототип успешно продемонстрировал, что основной метод осуществим.

Эксперимент Майкельсона-Морли (1887 г.)

Рисунок 5. На этом рисунке показан изогнутый световой путь, используемый в интерферометре Майкельсона – Морли, который обеспечивает длину пути 11 м. а - источник света, масляная лампа . b - светоделитель . c представляет собой компенсирующую пластину, так что отраженный и прошедший лучи проходят через одинаковое количество стекла (важно, поскольку эксперименты проводились с белым светом, который имеет чрезвычайно короткую длину когерентности, требующую точного согласования длин оптического пути, чтобы полосы были видны; монохроматический натриевый свет использовался только для первоначального выравнивания). d , d ' и e - зеркала. e ' - зеркало с тонкой регулировкой. f - телескоп .

В 1885 году Майкельсон начал сотрудничество с Эдвардом Морли , потратив немало времени и денег на то, чтобы с более высокой точностью подтвердить эксперимент Физо 1851 года по коэффициенту сопротивления Френеля, улучшить эксперимент Майкельсона 1881 года и установить длину световой волны в качестве стандарта длины . В то время Майкельсон был профессором физики в Кейс-школе прикладных наук, а Морли был профессором химии в Западном резервном университете (WRU), который делил кампус с Кейс-школой на восточной окраине Кливленда. В сентябре 1885 года у Майкельсона случился нервный срыв , от которого он выздоровел к октябрю 1885 года. Морли приписал этот срыв напряженной работе Майкельсона во время подготовки экспериментов. В 1886 году Майкельсон и Морли успешно подтвердили коэффициент сопротивления Френеля - этот результат также рассматривался как подтверждение концепции неподвижного эфира.

Этот результат укрепил их надежду найти эфирный ветер. Майкельсон и Морли создали улучшенную версию эксперимента Майкельсона с более чем достаточной точностью, чтобы обнаружить этот гипотетический эффект. Эксперимент проводился в несколько периодов концентрированных наблюдений в период с апреля по июль 1887 года в подвале общежития Адельберта WRU (позже переименованного в Пирс-холл, снесенного в 1962 году).

Как показано на рис. 5, свет многократно отражался назад и вперед вдоль плеч интерферометра, увеличивая длину пути до 11 м (36 футов). На этой длине дрейф будет около 0,4 полосы. Чтобы сделать это легко обнаруживаемым, аппарат был собран в закрытом помещении в подвале тяжелого каменного общежития, что позволило устранить большинство тепловых и вибрационных эффектов. Вибрации были дополнительно уменьшены за счет сооружения устройства на вершине большого блока песчаника (рис. 1), толщиной около фута и квадрата пять футов (1,5 м), который затем плавал в круглом желобе из ртути. По их оценкам, можно будет обнаружить эффекты с полосой около 0,01.

Рис. 6. Образец бахромы, полученный с помощью интерферометра Майкельсона с использованием белого света . Как здесь настроено, центральная бахрома белая, а не черная.

Майкельсон, Морли и другие ранние экспериментаторы, использующие интерферометрические методы в попытке измерить свойства светоносного эфира, использовали (частично) монохроматический свет только для первоначальной настройки своего оборудования, всегда переключаясь на белый свет для реальных измерений. Причина в том, что измерения регистрировались визуально. Чисто монохроматический свет приведет к однородному рисунку полос. Не имея современных средств контроля температуры окружающей среды , экспериментаторы боролись с постоянным дрейфом полосы, даже когда интерферометр был установлен в подвале. Поскольку полосы иногда исчезали из-за вибраций, вызванных движением лошадей, далекими грозами и т.п., наблюдатель мог легко «потеряться», когда полосы снова стали видны. Преимущества белого света, который давал отчетливую цветную полосу, намного перевешивали трудности юстировки устройства из-за его низкой длины когерентности . Как писал Дейтон Миллер , «полосы белого света были выбраны для наблюдений, потому что они состоят из небольшой группы полос, имеющих центральную резко очерченную черную полосу, которая образует постоянную нулевую отметку для всех показаний». Использование частично монохроматического света (желтый натриевый свет) во время начальной настройки позволило исследователям более или менее легко определить положение с равной длиной пути перед переключением на белый свет.

Ртутный желоб позволял устройству вращаться с трением, близким к нулевому, так что после однократного толчка блок из песчаника он медленно вращался во всем диапазоне возможных углов к «эфирному ветру», в то время как измерения постоянно наблюдались, глядя через окуляр. Гипотеза дрейфа эфира подразумевает, что, поскольку одно из рукавов неизбежно повернется в направлении ветра в то же время, когда другое рука повернется перпендикулярно ветру, эффект должен быть заметен даже в течение нескольких минут.

Ожидалось, что эффект будет отображен в виде синусоидальной волны с двумя пиками и двумя впадинами на один оборот устройства. Этого результата можно было ожидать, потому что во время каждого полного вращения каждое плечо было бы параллельно ветру дважды (обращенное к ветру и от него, давая идентичные показания) и дважды перпендикулярно ветру. Кроме того, из-за вращения Земли ожидается, что ветер будет показывать периодические изменения направления и силы в течение звездных суток .

Ожидается, что из-за движения Земли вокруг Солнца измеренные данные также покажут годовые вариации.

Самый известный «неудачный» эксперимент

Рисунок 7. Результаты Майкельсона и Морли. Верхняя сплошная линия - это кривая их наблюдений в полдень, а нижняя сплошная линия - кривая их вечерних наблюдений. Обратите внимание, что теоретические кривые и наблюдаемые кривые построены в разных масштабах: пунктирные кривые фактически представляют только одну восьмую теоретических смещений.

После всех этих размышлений и подготовки эксперимент превратился в то, что называют самым известным неудачным экспериментом в истории. Вместо того, чтобы дать представление о свойствах эфира, в статье Майкельсона и Морли в American Journal of Science сообщается, что измерение составляет всего одну сороковую от ожидаемого смещения (рис. 7), но «поскольку смещение пропорционально квадрат скорости », они пришли к выводу, что измеренная скорость была« вероятно меньше одной шестой »ожидаемой скорости движения Земли по орбите и« определенно меньше одной четвертой ». Хотя эта малая «скорость» была измерена, она считалась слишком малой для использования в качестве доказательства скорости относительно эфира, и считалось, что она находится в пределах экспериментальной ошибки, которая позволила бы скорости фактически равняться нулю. Например, Майкельсон писал о «явно отрицательном результате» в письме лорду Рэлею в августе 1887 года:

Эксперименты по относительному движению Земли и эфира завершены, и результат явно отрицательный. Ожидаемое отклонение интерференционных полос от нуля должно было составить 0,40 полосы - максимальное смещение было 0,02, а среднее намного меньше 0,01 - и тогда не в нужном месте. Поскольку смещение пропорционально квадратам относительных скоростей, отсюда следует, что, если эфир действительно проскальзывает, относительная скорость будет меньше одной шестой скорости Земли.

-  Альберт Абрахам Михельсон, 1887 г.

С точки зрения тогдашних моделей эфира, экспериментальные результаты были противоречивыми. Эксперимент Физо и его повторение 1886 Майкельсона и Морли , по- видимому подтвердил стационарный эфир с частичным эфира перетаскивание, и опровергнуты полный эфирный увлекая. С другой стороны, гораздо более точный эксперимент Майкельсона-Морли (1887 г.), по-видимому, подтвердил полное увлечение эфира и опроверг неподвижный эфир. Кроме того, нулевой результат Майкельсона – Морли был дополнительно подтвержден нулевыми результатами других экспериментов второго порядка иного рода, а именно эксперимента Траутона – Нобла (1903 г.) и экспериментов Рэлея и Брейса (1902–1904 гг.). Эти проблемы и их решение привели к развитию преобразования Лоренца и специальной теории относительности .

После «неудачного» эксперимента Майкельсон и Морли прекратили свои измерения дрейфа эфира и начали использовать свою недавно разработанную технику, чтобы установить длину световой волны в качестве эталона длины .

Анализ светового пути и последствия

Наблюдатель отдыхает в эфире

Ожидаемый дифференциальный фазовый сдвиг между светом, проходящим в продольном и поперечном плечах аппарата Майкельсона-Морли.

Время прохождения луча в продольном направлении может быть получено следующим образом: свет исходит от источника и распространяется со скоростью света в эфире. Он проходит через посеребренное зеркало в начале координат . Отражающее зеркало в этот момент находится на расстоянии (длине плеча интерферометра) и движется со скоростью . Луч попадает в зеркало во время и, таким образом, распространяется на расстояние . На этот раз зеркало преодолело расстояние . Отсюда и время в пути . То же самое относится и к обратному пути со знаком обратного, в результате чего и . Общее время в пути составляет:

Майкельсон правильно получил это выражение в 1881 г., однако в поперечном направлении он получил неверное выражение

потому что он упустил из виду увеличенную длину пути в остальной системе эфира. Это было исправлено Альфредом Потье (1882 г.) и Хендриком Лоренцем (1886 г.). Вывод в поперечном направлении может быть дан следующим образом (аналогично выводу замедления времени с использованием световых часов ): луч распространяется со скоростью света и попадает в зеркало во времени , путешествуя на расстояние . В то же время зеркало прошло расстояние в направлении x . Таким образом, чтобы попасть в зеркало, луч луча проходит в направлении y (при условии равной длины плеч) и в направлении x . Этот наклонный путь прохождения следует из перехода от опорной рамы интерферометра к опорной раме эфира. Следовательно, теорема Пифагора дает фактическое расстояние перемещения луча равное . Таким образом и, следовательно, время в пути , которое одинаково для обратного пути. Общее время в пути составляет:

Разница во времени между T и T t определяется как

Чтобы найти разницу в пути, просто умножьте ее на c;

Разность хода обозначается как Δλ, потому что лучи не совпадают по фазе на некоторое количество длин волн (λ). Чтобы визуализировать это, возьмите два пути луча в продольной и поперечной плоскости и положите их прямо (анимация этого показана на минуте 11:00, «Механическая вселенная», эпизод 41 ). Один путь будет длиннее другого, это расстояние Δλ. В качестве альтернативы, рассмотрите перестановку формулы скорости света .

Если соотношение верно (если скорость эфира мала по сравнению со скоростью света), то выражение можно упростить, используя биномиальное разложение первого порядка;

Итак, переписав вышесказанное с точки зрения полномочий;

Применение биномиального упрощения;

Следовательно;

Из этого вывода видно, что эфирный ветер проявляется как разность путей. Этот вывод верен, если эксперимент ориентирован на любой коэффициент 90 ° по отношению к эфирному ветру. Если разность хода составляет полное количество длин волн, наблюдается конструктивная интерференция (центральная полоса будет белой). Если разность хода составляет полное число длин волн плюс половина, наблюдается деконструктивная интерференция (центральная полоса будет черной).

Чтобы доказать существование эфира, Майклсон и Морли попытались найти «сдвиг бахромы». Идея была проста: полосы интерференционной картины должны сместиться при ее повороте на 90 °, поскольку два луча поменялись ролями. Чтобы найти сдвиг полосы, вычтите разность хода в первой ориентации на разность хода во второй, затем разделите на длину волны света λ;

Обратите внимание на разницу между Δλ, которое представляет собой некоторое количество длин волн, и λ, которое представляет собой одну длину волны. Как видно из этого соотношения, сдвиг полосы n является безразмерной величиной.

Поскольку L  ≈ 11 метров и λ ≈ 500 нанометров , ожидаемый сдвиг полосы составил n  ≈ 0,44. Отрицательный результат привел Майкельсона к выводу об отсутствии измеримого дрейфа эфира. Однако он никогда не принимал это на личном уровне, и отрицательный результат преследовал его всю оставшуюся жизнь (Источник; Механическая вселенная, серия 41 ).

Наблюдатель с интерферометром

Если та же ситуация описывается с точки зрения наблюдателя, движущегося вместе с интерферометром, то эффект эфирного ветра аналогичен эффекту, который испытывает пловец, который пытается двигаться со скоростью против реки, текущей со скоростью .

В продольном направлении пловец сначала движется против течения, поэтому его скорость уменьшается из-за течения реки . На обратном пути вниз по течению его скорость увеличивается до . Это дает время прохождения луча и, как упоминалось выше.

В поперечном направлении пловец должен компенсировать течение реки, двигаясь под определенным углом против направления потока, чтобы сохранить точное поперечное направление движения и достичь другого берега реки в правильном месте. Это уменьшает его скорость до и дает время прохождения луча, как упомянуто выше.

Зеркальное отражение

Классический анализ предсказал относительный фазовый сдвиг между продольным и поперечным пучками, который в аппарате Майкельсона и Морли должен был быть легко измерен. Что не часто понимается (поскольку не было средств измерения), так это то, что движение через гипотетический эфир должно было также вызвать расхождение двух лучей, когда они вышли из интерферометра примерно на 10 -8 радиан.

Для движущегося устройства классический анализ требует, чтобы светоделительное зеркало было слегка смещено на точные 45 °, если продольные и поперечные лучи должны выходить из устройства точно совмещенными. В релятивистском анализе лоренц-сжатие светоделителя в направлении движения заставляет его становиться более перпендикулярным именно на величину, необходимую для компенсации углового несоответствия двух лучей.

Сокращение длины и преобразование Лоренца

Первый шаг к объяснению нулевого результата эксперимента Майкельсона и Морли был обнаружен в гипотезе сокращения Фитцджеральда – Лоренца , которую теперь называют просто сокращением длины или сокращением Лоренца, впервые предложенной Джорджем Фитцджеральдом (1889) и Хендриком Лоренцем (1892). Согласно этому закону все объекты физически сокращаются вдоль линии движения (первоначально считавшейся относительной к эфиру), что является фактором Лоренца . Эта гипотеза частично была мотивирована открытием Оливера Хевисайда в 1888 году, что электростатические поля сжимаются на линии движения. Но поскольку в то время не было причин предполагать, что связывающие силы в материи имеют электрическое происхождение, сокращение длины материи в движении относительно эфира считалось специальной гипотезой .

Если в приведенную выше формулу ввести сокращение длины , то время распространения света в продольном направлении станет равным времени распространения света в поперечном направлении:

Однако сокращение длины является лишь частным случаем более общего соотношения, согласно которому поперечная длина больше, чем продольная длина в соотношении . Этого можно добиться разными способами. Если - продольная длина в движении и длина в поперечном направлении, являющиеся остальными длинами, то она задается:

могут быть выбраны произвольно, поэтому существует бесконечно много комбинаций, объясняющих нулевой результат Майкельсона – Морли. Например, если релятивистское значение сокращения длины происходит, но если тогда не происходит сокращение длины, а происходит удлинение . Позднее эта гипотеза была расширена Джозефом Лармором (1897), Лоренцем (1904) и Анри Пуанкаре (1905), которые разработали полное преобразование Лоренца, включая замедление времени , чтобы объяснить эксперимент Траутона-Нобла , эксперименты Рэлея и Брейса и Эксперименты Кауфмана . Он имеет вид

Оставалось определить значение , которое, как показал Лоренц (1904), равно единице. В общем, Пуанкаре (1905) продемонстрировал, что только позволяет этому преобразованию образовывать группу , так что это единственный выбор, совместимый с принципом относительности , т. Е. Делающий неподвижный эфир необнаружимым. При этом сокращение длины и замедление времени получают свои точные релятивистские значения.

Специальная теория относительности

Альберт Эйнштейн сформулировал специальную теорию относительности к 1905 году, выведя преобразование Лоренца и, таким образом, сокращение длины и замедление времени из постулата относительности и постоянства скорости света, тем самым устранив особый характер гипотезы сокращения. Эйнштейн подчеркнул кинематическую основу теории и модификацию понятия пространства и времени, при этом неподвижный эфир больше не играет никакой роли в его теории. Он также указал на групповой характер трансформации. Эйнштейн был мотивирован теорией электромагнетизма Максвелла (в той форме, в которой она была представлена ​​Лоренцем в 1895 году) и отсутствием доказательств существования светоносного эфира .

Это позволяет более элегантно и интуитивно объяснить нулевой результат Майкельсона – Морли. В сопутствующей системе отсчета нулевой результат очевиден, поскольку устройство можно рассматривать как покоящееся в соответствии с принципом относительности, поэтому время прохождения луча одинаково. В системе отсчета, относительно которой движется устройство, применяются те же рассуждения, что и описанные выше в разделе «Сокращение длины и преобразование Лоренца», за исключением того, что слово «эфир» необходимо заменить на «несопровождающую инерциальную систему отсчета». Эйнштейн писал в 1916 году:

Хотя предполагаемая разница между этими двумя временами чрезвычайно мала, Майкельсон и Морли провели эксперимент с участием интерференции, в котором эта разница должна быть четко заметна. Но эксперимент дал отрицательный результат, что очень озадачило физиков. Лоренц и Фитцджеральд спасли теорию от этой трудности, предположив, что движение тела относительно эфира вызывает сокращение тела в направлении движения, причем величина сокращения как раз достаточна, чтобы компенсировать разницу во времени, упомянутую выше. Сравнение с обсуждением в разделе 11 показывает, что и с точки зрения теории относительности это решение проблемы было правильным. Но на основе теории относительности метод интерпретации несравненно более удовлетворителен. Согласно этой теории не существует такой вещи, как «особо благоприятная» (уникальная) система координат, которая могла бы вызвать введение идеи эфира, и, следовательно, не может быть никакого дрейфа эфира или какого-либо эксперимента, с помощью которого можно было бы его продемонстрировать. . Здесь сжатие движущихся тел следует из двух основных принципов теории без введения частных гипотез; и в качестве главного фактора, участвующего в этом сокращении, мы находим не движение само по себе, которому мы не можем придать никакого значения, а движение по отношению к телу отсчета, выбранному в конкретном рассматриваемом случае. Таким образом, для системы координат, движущейся вместе с Землей, зеркальная система Майкельсона и Морли не укорачивается, но укорачивается для системы координат, которая находится в покое относительно Солнца.

-  Альберт Эйнштейн, 1916 г.

Степень, в которой нулевой результат эксперимента Майкельсона – Морли повлиял на Эйнштейна, оспаривается. Ссылаясь на некоторые утверждения Эйнштейна, многие историки утверждают, что это не сыграло значительной роли на его пути к специальной теории относительности, в то время как другие утверждения Эйнштейна, вероятно, предполагают, что она на него повлияла. В любом случае, нулевой результат эксперимента Майкельсона-Морли помог широко распространенному и быстрому принятию концепции постоянства скорости света.

Позже Говард Перси Робертсон (1949) и другие показали (см. Теорию теста Робертсона – Мансури – Секса ), что можно вывести преобразование Лоренца целиком из комбинации трех экспериментов. Во-первых, эксперимент Майкельсона-Морли показал, что скорость света не зависит от ориентации устройства, установив взаимосвязь между продольной (β) и поперечной (δ) длинами. Затем в 1932 году Рой Кеннеди и Эдвард Торндайк модифицировали эксперимент Майкельсона – Морли, сделав длины пути разделенного луча неравными, а одно плечо было очень коротким. Эксперимент Кеннеди-Торндайка проходил в течение многих месяцев , как Земля перемещается вокруг Солнца. Их отрицательный результат показал, что скорость света не зависит от скорости аппарата в различных инерциальных системах отсчета. Кроме того, было установлено, что помимо изменений длины, должны также происходить соответствующие временные изменения, т. Е. Установлена ​​взаимосвязь между продольными длинами (β) и изменениями во времени (α). Таким образом, оба эксперимента не дают индивидуальных значений этих величин. Эта неопределенность соответствует неопределенному коэффициенту, как описано выше. По теоретическим причинам ( групповой характер преобразования Лоренца в соответствии с принципом относительности) было ясно, что отдельные значения сокращения длины и замедления времени должны принимать свою точную релятивистскую форму. Но прямое измерение одной из этих величин все же было желательно для подтверждения теоретических результатов. Это было достигнуто с помощью эксперимента Айвса – Стилвелла (1938), в котором α измерялось в соответствии с замедлением времени. Комбинирование этого значения для α с нулевым результатом Кеннеди – Торндайка показывает, что β должно принимать значение релятивистского сокращения длины. Комбинирование β с нулевым результатом Майкельсона – Морли показывает, что δ должно быть равно нулю. Следовательно, преобразование Лоренца с является неизбежным следствием комбинации этих трех экспериментов.

Специальная теория относительности обычно считается решением всех измерений отрицательного дрейфа эфира (или изотропии скорости света), включая нулевой результат Майкельсона-Морли. Многие высокоточные измерения были проведены в качестве проверки специальной теории относительности и современных поисков нарушения Лоренца в фотонном , электронном , нуклонном или нейтринном секторах, и все они подтверждают относительность.

Неправильные альтернативы

Как упоминалось выше, Майкельсон изначально полагал, что его эксперимент подтвердит теорию Стокса, согласно которой эфир полностью увлекался вблизи Земли (см. Гипотезу сопротивления эфира ). Однако полное сопротивление эфиром противоречит наблюдаемой аберрации света, а также противоречит другим экспериментам. Кроме того, в 1886 году Лоренц показал, что попытка Стокса объяснить аберрацию противоречива.

Более того, предположение, что эфир не переносится поблизости, а только внутри материи, было очень проблематичным, как показал эксперимент Хаммара (1935). Хаммар направил одну ножку своего интерферометра через тяжелую металлическую трубу, заглушенную свинцом. Предполагалось, что если бы эфир увлекался массой, массы запечатанной металлической трубы было бы достаточно, чтобы вызвать видимый эффект. И снова никакого эффекта не наблюдалось, поэтому теории сопротивления эфира считаются опровергнутыми.

Вальтер Ритц «s теория эмиссии (или баллистическая теория) также согласуется с результатами эксперимента, не требующим эфира. Теория постулирует, что свет всегда имеет одинаковую скорость по отношению к источнику. Однако де Ситтер отметил, что теория излучателя предсказала несколько оптических эффектов, которые не наблюдались при наблюдениях двойных звезд, в которых свет от двух звезд можно было измерить с помощью спектрометра . Если теория излучения верна, свет от звезд должен испытывать необычное смещение полос из-за того, что скорость звезд прибавляется к скорости света, но такого эффекта нельзя было бы увидеть. Позже Дж. Г. Фокс показал, что оригинальные эксперименты де Ситтера были ошибочными из-за вымирания , но в 1977 году Бречер наблюдал рентгеновские лучи от двойных звездных систем с аналогичными нулевыми результатами. Кроме того, Филиппас и Фокс (1964) провели испытания на ускорителе наземных частиц, специально разработанные для решения более раннего возражения Фокса о «вымирании», результаты которого несовместимы с зависимостью скорости света от источника.

Последующие эксперименты

Рис. 8. Моделирование уточнения Кеннеди / Иллингворта эксперимента Майкельсона – Морли. (а) Интерференционная картина Майкельсона – Морли в монохроматическом ртутном свете с темной полосой, точно центрированной на экране. (b) Полосы смещены влево на 1/100 расстояния между краями. Чрезвычайно трудно увидеть разницу между этой цифрой и приведенной выше. (c) Небольшая ступенька в одном зеркале приводит к тому, что два изображения одной и той же полосы располагаются на расстоянии 1/20 расстояния между полосами слева и справа от ступеньки. (d) Телескоп был настроен так, чтобы видеть только центральную темную полосу вокруг ступеньки зеркала. Обратите внимание на симметричное осветление вокруг центральной линии. (e) Два набора полос смещены влево на 1/100 расстояния между полосами. На ступеньке виден резкий скачок яркости.

Хотя Майкельсон и Морли продолжили различные эксперименты после своей первой публикации в 1887 году, оба продолжали активно работать в этой области. Другие варианты эксперимента проводились со все большей степенью изощренности. Морли не был убежден в своих собственных результатах и ​​продолжил проводить дополнительные эксперименты с Дейтоном Миллером с 1902 по 1904 год. И снова результат был отрицательным в пределах погрешности.

Миллер работал над все более крупными интерферометрами, в результате чего был создан интерферометр с эффективной длиной руки 32 метра (105 футов), который он опробовал на различных участках, в том числе на вершине горы в обсерватории Маунт-Вильсон . Чтобы избежать возможности блокирования эфирного ветра прочными стенами, его наблюдения на вершине горы использовали специальный навес с тонкими стенами, в основном из парусины. Из зашумленных, нерегулярных данных он последовательно извлекал небольшой положительный сигнал, который менялся при каждом обороте устройства, в зависимости от звездных суток и ежегодно. Его измерения в 1920-х годах составили примерно 10 км / с (6,2 миль / с) вместо почти 30 км / с (18,6 миль / с), ожидаемых только по орбитальному движению Земли. Он оставался убежденным, что это произошло из-за частичного увлечения или увлечения эфиром , хотя и не пытался дать подробное объяснение. Он игнорировал критику, демонстрирующую несостоятельность его результатов и опровержение эксперимента Хаммара . В то время открытия Миллера считались важными и обсуждались Майкельсоном, Лоренцем и другими на встрече, о которой сообщалось в 1928 году. Все согласились, что для проверки результатов Миллера необходимы дополнительные эксперименты. Позже Миллер построил немагнитное устройство для устранения магнитострикции , а Майкельсон построил один из нерасширяющихся инваров для устранения любых оставшихся тепловых эффектов. Другие экспериментаторы со всего мира повысили точность, устранили возможные побочные эффекты или и то, и другое. Пока что никому не удалось воспроизвести результаты Миллера, и современная экспериментальная точность исключила их. Робертс (2006) указал, что примитивные методы обработки данных, использованные Миллером и другими ранними экспериментаторами, включая Майкельсона и Морли, были способны создавать очевидные периодические сигналы, даже если их не было в реальных данных. После повторного анализа исходных данных Миллера с использованием современных методов количественного анализа ошибок Робертс обнаружил, что очевидные сигналы Миллера статистически несущественны.

Используя специальную оптическую схему, включающую шаг 1/20 волны в одном зеркале, Рой Дж. Кеннеди (1926) и К.К. Иллингворт (1927) (рис. 8) преобразовали задачу обнаружения сдвигов полос из относительно нечувствительной задачи оценки их поперечного смещения. смещения к значительно более чувствительной задаче регулировки интенсивности света по обе стороны от резкой границы для равной яркости. Если они наблюдали неравное освещение с обеих сторон ступеньки, как на рис. 8e, они добавляли или удаляли калиброванные веса из интерферометра до тех пор, пока обе стороны ступеньки снова не освещались равномерно, как на рис. 8d. Количество добавленных или удаленных грузов служило мерой сдвига бахромы. Разные наблюдатели могли обнаружить изменения от 1/300 до 1/1500 полосы. Кеннеди также провел эксперимент на горе Вильсон, обнаружив лишь около 1/10 дрейфа, измеренного Миллером, и никаких сезонных эффектов.

В 1930 году Георг Йоос провел эксперимент с использованием автоматического интерферометра с рычагами длиной 21 метр, выкованными из прессованного кварца, имеющего очень низкий коэффициент теплового расширения, который позволил получить непрерывные фотографические полоски полос на протяжении десятков оборотов. аппарат. Смещения 1/1000 полосы можно было измерить на фотопластинках. Никаких периодических смещений полос обнаружено не было, что дает верхний предел эфирного ветра 1,5 км / с (0,93 миль / с).

В таблице ниже ожидаемые значения относятся к относительной скорости между Землей и Солнцем, равной 30 км / с (18,6 миль / с). Что касается скорости Солнечной системы вокруг галактического центра около 220 км / с (140 миль / с), или скорости Солнечной системы относительно системы покоя CMB около 368 км / с (229 миль / с). ), нулевые результаты этих экспериментов еще более очевидны.

Имя Место нахождения Год Длина руки (метры) Ожидается сдвиг бахромы Сдвиг бахромы измерен Соотношение Верхний предел V эфира Экспериментальное разрешение Нулевой результат
Михельсон Потсдам 1881 г. 1.2 0,04 ≤ 0,02 2 ∼ 20 км / с 0,02 да
Майкельсон и Морли Кливленд 1887 г. 11.0 0,4 <0,02
или ≤ 0,01
40 ∼ 4–8 км / с 0,01 да
Морли и Миллер Кливленд 1902–1904 гг. 32,2 1.13 ≤ 0,015 80 ∼ 3.5 км / с 0,015 да
Миллер Маунт Уилсон 1921 г. 32,0 1,12 ≤ 0,08 15 ∼ 8–10 км / с не понятно не понятно
Миллер Кливленд 1923–1924 32,0 1,12 ≤ 0,03 40 ∼ 5 км / с 0,03 да
Миллер (солнечный свет) Кливленд 1924 г. 32,0 1,12 ≤ 0,014 80 ∼ 3 км / с 0,014 да
Томашек (звездный свет) Гейдельберг 1924 г. 8,6 0,3 ≤ 0,02 15 ∼ 7 км / с 0,02 да
Миллер Маунт Уилсон 1925–1926 32,0 1,12 ≤ 0,088 13 ∼ 8–10 км / с не понятно не понятно
Кеннеди Пасадена / Маунт Вильсон 1926 г. 2.0 0,07 ≤ 0,002 35 год ∼ 5 км / с 0,002 да
Иллингворт Пасадена 1927 г. 2.0 0,07 ≤ 0,0004 175 ∼ 2 км / с 0,0004 да
Пикард и Стахел с воздушным шаром 1926 г. 2,8 0,13 ≤ 0,006 20 ∼ 7 км / с 0,006 да
Пикард и Стахел Брюссель 1927 г. 2,8 0,13 ≤ 0,0002 185 ∼ 2,5 км / с 0,0007 да
Пикард и Стахел Риги 1927 г. 2,8 0,13 ≤ 0,0003 185 ∼ 2,5 км / с 0,0007 да
Michelson et al. Пасадена (магазин оптики Mt. Wilson) 1929 г. 25,9 0,9 ≤ 0,01 90 ∼ 3 км / с 0,01 да
Джус Йена 1930 г. 21,0 0,75 ≤ 0,002 375 ∼ 1.5 км / с 0,002 да

Недавние эксперименты

Оптические тесты

Оптические тесты изотропии скорости света стали обычным явлением. Новые технологии, в том числе использование лазеров и мазеров , значительно повысили точность измерений. (В следующей таблице только Essen (1955), Jaseja (1964) и Shamir / Fox (1969) представляют собой эксперименты типа Майкельсона – Морли, то есть сравнения двух перпендикулярных пучков. В других оптических экспериментах использовались другие методы.)

Автор Год Описание Верхняя граница
Луи Эссен 1955 г. Частота вращающегося полого СВЧ- резонатора сравнивается с частотой кварцевых часов. ~ 3 км / с
Cedarholm et al . 1958 г. Два аммиачных мазера были установлены на вращающемся столе, и их лучи были направлены в противоположные стороны. ~ 30 м / с
Мессбауэровские эксперименты с ротором 1960–68 В серии экспериментов разных исследователей частоты гамма-лучей наблюдались с помощью эффекта Мёссбауэра . ~ 2,0 см / с
Jaseja et al . 1964 г. Проведено сравнение частот двух He – Ne мазеров , установленных на вращающемся столе. В отличие от Cedarholm et al. , мазеры располагались перпендикулярно друг другу. ~ 30 м / с
Шамир и Фокс 1969 г. Оба плеча интерферометра заключены в прозрачное твердое тело ( оргстекло ). Источником света служил гелий-неоновый лазер . ~ 7 км / с
Триммер и др . 1973 Они искали анизотропию скорости света, которая ведет себя как первый и третий полиномы Лежандра . Они использовали треугольный интерферометр с одним участком пути из стекла. (Для сравнения, эксперименты типа Майкельсона – Морли проверяют второй полином Лежандра) ~ 2,5 см / с
Рис. 9. Эксперимент Майкельсона – Морли с криогенными оптическими резонаторами такой формы, какой использовали Мюллер и др. (2003).

Недавние эксперименты с оптическим резонатором

В начале 21 века возродился интерес к проведению точных экспериментов типа Майкельсона-Морли с использованием лазеров, мазеров, криогенных оптических резонаторов и т. Д. Это во многом связано с предсказаниями квантовой гравитации, которые предполагают, что специальная теория относительности может быть нарушается в масштабах, доступных для экспериментального исследования. Первый из этих высокоточных экспериментов был проведен Брилле и Холлом (Brillet & Hall, 1979), в котором они проанализировали частоту лазера, стабилизированную по резонансу вращающегося оптического резонатора Фабри – Перо . Они устанавливают предел анизотропии скорости света в результате движения Земли Δ c / c  ≈ 10 −15 , где Δ c - разница между скоростью света в направлениях x и y .

По состоянию на 2015 год эксперименты с оптическими и микроволновыми резонаторами улучшили этот предел до Δ c / c  ≈ 10 −18 . В некоторых из них устройства вращались или оставались неподвижными, а некоторые были совмещены с экспериментом Кеннеди – Торндайка . В частности, направление и скорость Земли (около 368 км / с (229 миль / с)) относительно системы покоя реликтового излучения обычно используются в качестве ссылок в этих поисках анизотропии.

Автор Год Описание Δ c / c
Wolf et al. 2003 г. Частота стационарного криогенного СВЧ-генератора, состоящего из сапфирового кристалла, работающего в режиме шепчущей галереи , сравнивается с водородным мазером , частота которого сравнивается с фонтанными атомными часами цезия и рубидия . Исследуются изменения во время вращения Земли. Были проанализированы данные за 2001–2002 гг.
Мюллер и др. 2003 г. Два оптических резонатора из кристаллического сапфира, управляющие частотами двух Nd: YAG-лазеров , установлены под прямым углом внутри гелиевого криостата. Компаратор частоты измеряет частоту биений комбинированных выходов двух резонаторов.
Wolf et al. 2004 г. См. Wolf et al. (2003). Реализован активный контроль температуры. Были проанализированы данные за 2002–2003 гг.
Wolf et al. 2004 г. См. Wolf et al. (2003). Были проанализированы данные за 2002–2004 годы.
Антонини и др. 2005 г. Подобно Müller et al. (2003), хотя сам аппарат был запущен во вращение. Были проанализированы данные за 2002–2004 годы.
Stanwix et al. 2005 г. Подобно Wolf et al. (2003). Сравнивались частоты двух криогенных генераторов. Кроме того, аппарат был приведен во вращение. Были проанализированы данные за 2004–2005 гг.
Herrmann et al. 2005 г. Подобно Müller et al. (2003). Сравниваются частоты двух резонаторов оптических резонаторов Фабри – Перо : один резонатор непрерывно вращался, а другой был неподвижно ориентирован с севера на юг. Были проанализированы данные за 2004–2005 гг.
Stanwix et al. 2006 г. См. Stanwix et al. (2005). Были проанализированы данные за 2004–2006 гг.
Мюллер и др. 2007 г. См. Herrmann et al. (2005) и Stanwix et al. (2006). Данные обеих групп, собранные в период с 2004 по 2006 год, объединяются и анализируются. Поскольку эксперименты проводятся на разных континентах, в Берлине и Перте соответственно, можно было бы изучить эффекты как вращения самих устройств, так и вращения Земли.
Eisele et al. 2009 г. Сравниваются частоты пары ортогонально ориентированных оптических резонаторов стоячей волны. Полости исследовались Nd: YAG-лазером . Были проанализированы данные за 2007–2008 гг.
Herrmann et al. 2009 г. Сравниваются частоты пары вращающихся ортогональных оптических резонаторов Фабри – Перо . Частоты двух Nd: YAG-лазеров стабилизированы по резонансам этих резонаторов.
Nagel et al. 2015 г. Сравниваются частоты пары вращающихся ортогональных СВЧ-резонаторов.

Другие тесты лоренц-инвариантности

Рисунок 10. 7 Li- ЯМР спектр LiCl (1M) в D 2 O. Резкий, неразъемные линии ЯМР этого изотопа из лития является доказательством изотропности массы и пространства.

Примерами других экспериментов, не основанных на принципе Майкельсона – Морли, т. Е. Неоптических тестов изотропии, достигающих еще более высокого уровня точности, являются эксперименты по сравнению часов или эксперименты Хьюза – Древера . В эксперименте Древера 1961 года 7 ядер Li в основном состоянии с полным угловым моментом J  = 3/2 были разделены магнитным полем на четыре равноотстоящих уровня. Каждый переход между парой соседних уровней должен излучать фотон одинаковой частоты, в результате чего получается одна резкая спектральная линия. Однако, поскольку ядерные волновые функции для разных M J имеют разную ориентацию в пространстве относительно магнитного поля, любая ориентационная зависимость, будь то от эфирного ветра или от зависимости от крупномасштабного распределения массы в пространстве (см . Принцип Маха ) , будет возмущать энергетические интервалы между четырьмя уровнями, что приведет к аномальному уширению или расщеплению линии. Такого уширения не наблюдалось. Современные повторения такого рода экспериментов предоставили некоторые из наиболее точных подтверждений принципа лоренц-инвариантности .

Смотрите также

использованная литература

Примечания

Эксперименты

Библиография (Ссылки серии "А")

внешние ссылки