Майкельсон и скорость света
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.
Источник
Результат скорости света майкельсон
В XVII веке попытка измерить скорость света увенчалась успехом. Молодой датчанин Ремер заметил, что тень одной из лун Юпитера периодически появлялась на поверхности планеты на 16 минут 36 секунд раньше, чем при наблюдении в другое время года. Ремер решил, что причиной разницы во времени является то обстоятельство, что один раз в году Земля находится на кратчайшем расстоянии от Юпитера, а через шесть месяцев – в максимальном удалении. Ремер полагал, что разница в несколько минут равна времени, в течение которого свет пересекает земную орбиту. Разделив это расстояние на 16 минут 36 секунд, он получил 186 тысяч миль в секунду.
Только через сто семьдесят три года, в 1849 году, стало возможным измерение скорости света, проходящего между двумя точками на поверхности Земли. Выбрали расстояние в 10 миль. Французский ученый Физо поставил эксперимент, посылая импульсы света на удаленное зеркало и измерял время, требующееся на возвращение луча. Свет разбивался на импульсы следующим образом. Луч проходил сквозь промежутки между выступами на окружности быстро вращающегося диска. При достаточно быстром вращении диска импульс света доходил до зеркала и возвращался обратно как раз за то время, в течение которого диск поворачивался на небольшой угол – на ширину одного промежутка между выступами. На диске Физо было 720 выступов, и он делал 25 оборотов в секунду. Зная расстояние от источника света до зеркала и обратно, Физо подсчитал скорость света и получил 194 тысячи миль в секунду.
Примерно через 20 лет, когда Майкельсон преподавал в Аннаполисе, проблема измерения скорости света приобрела новое значение. Сформулированная Максвеллом электромагнитная теория света, с одной стороны, утверждала, что скорость света должна быть меньше в воде, чем в воздухе. С другой стороны, из корпускулярной теории Ньютона следовало, что скорость света в воде больше, чем в воздухе. В 60-е и 70-е годы XIX века выяснение этого противоречия стало наиболее актуальным исследованием в физике. Науке необходим был способ точного измерения скорости света в любой среде.
Майкельсон говорил: «Тот факт, что скорость света непостижима для человеческого представления и, с другой стороны, существование принципиальной возможности ее измерения с чрезвычайной точностью, делают эту задачу одной из самых увлекательных проблем, когда-либо стоявших перед исследователем».
Знание скорости света было важно также для многих астрономических проблем навигации. Конгресс выделил средства известному американскому астроному Саймону Нью-комбу для работы над этой проблемой. В 1877 году юный младший лейтенант Майкельсон неожиданно придумал метод измерения скорости света с помощью простейшего аппарата. Результаты его работы были опубликованы в журнале «Америкэн Джорнэл оф Сайенс» шесть месяцев спустя, в мае 1878 года.
В то лето тесть Майкельсона дал ему 2 тысячи долларов на усовершенствование аппарата. Путь луча был увеличен более чем в 30 раз и доведен до 700 метров, смещение изображения равнялось 13,3 сантиметра вместо двух. Максвелл предсказывал, что скорость света должна равняться 300 тысячам километров в секунду. Результат Майкельсона составлял 299895 ± 30 километров в секунду. Он подтвердил предположение Максвелла с точностью до одной десятитысячной.
В течение всей своей жизни Майкельсон постоянно возвращался к этому измерению, пытаясь бесчисленными способами еще более уточнить результат. В 1926 году, когда ему было семьдесят четыре года, он применил систему, в которой луч света посылался с вершины горы Вильсон на вершину Сан-Антонио, то есть на 22 мили и обратно. Вращающееся зеркало было изготовлено с чрезвычайной точностью, и оно приводилось в движение специально разработанным устройством. Майкельсон подтвердил результат своих предыдущих измерений.
Два года спустя, в 1928 году, в возрасте семидесяти шести лет, Майкельсон получил средства для измерения скорости света в вакууме. Деньги на это ему дали обсерватория Маунт-Вильсон, Чикагский университет, фонд Рокфеллера и корпорация Карнеги. Ассистентами Майкельсона были Ф.Г. Пиз и Ф. Пирсон. Сотрудники Береговой геодезической службы Соединенных Штатов разметили и вымерили расстояние для громадного прибора на ранчо Эрвин. Вакуум предполагалось создать в трубе из гофрированного стального проката длиной почти в милю. Труба имела 3 фута в диаметре и доставлялась на место опыта 60-футовыми секциями.
Посредством многократного отражения свет должен был проходить расстояние в 8 миль, вымеренное с точностью до одной миллионной. Во всей системе создавалось разрежение, равное одной полуторатысячной части земной атмосферы. Выкачивание воздуха продолжалось 48 часов. Все время то одна, то другая часть выходила из строя, вакуум нарушался, и приходилось начинать снова.
Если первый прибор в Аннаполисе стоил 10 долларов, то эта система обошлась в 50 тысяч долларов. Это был самый грандиозный проект Майкельсона. В то время как шла работа, здоровье его начало сдавать. Пирсон произвел непосредственные измерения под руководством Майкельсона.
В 1930 году были произведены сотни наблюдений. Всего было поставлено почти 3 тысячи опытов. Скорость света в вакууме оказалась равной в среднем 299774 километрам в секунду. Научная статья, написанная Майкельсоном перед смертью, называлась точно так же, как и его первая работа, напечатанная в 1878 году в Аннаполисе «О методе измерения скорости света».
Источник
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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:
- Никаким оптическим экспериментом нельзя обнаружить прямолинейное и равномерное движение Земли (право считать его таковым дает кратковременность акта наблюдения).
- 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.
Источник
6.2. Опыт Майкельсона — Морли
Рассмотрим сначала другой волновой процесс — звук. Звук распространяется в упругой среде: воздухе, воде, твердых телах. Скорость звука определяется свойствами среды и постоянна относительно среды. Если наблюдатель движется в среде, то относительно него скорость звука будет другой, и определяется она законом сложения скоростей Галилея. При наличии среды о принципе относительности говорить не приходится: выделена та система отсчета, в которой среда покоится. Движение всех остальных систем отсчета легко установить (например, при движении автомобиля наличие воздушной среды обнаруживается по сопротивлению воздуха — кажущемуся ветру).
Раньше думали, что свет — это также механический волновой процесс в особой упругой среде, названной эфиром. Относительно эфира свет распространяется со скоростью, которую принято обозначать буквой с .
Экспериментально установлено, что скорость света равна c = 2,998·108 м/с = 299,8 тыс. км/с. Механический принцип относительности Галилея означает, что при механическом движении эфирного ветра не наблюдается. Это объясняли «тонкостью», «разреженностью» эфира, не оказывающего сопротивления движению «грубых» объектов, с которыми имеет дело механика. Иное дело — электромагнитные явления, распространение света. Там эфирный ветер должен был наблюдаться, и цель опытов (Майкельсон, 1881; Майкельсон и Морли, 1887) как раз и заключалась в поисках этого ветра.
Идея состояла в использовании орбитального движения Земли со скоростью V = 30 км/c. При движении с этой скоростью относительно эфира наблюдатель мог бы обнаружить видимое изменение скорости света: она должна быть равна c + V при движении навстречу световому лучу и c – V при удалении от источника света. Отношение скоростей Земли и света
так что надо было добиться такой или более высокой относительной точности измерений. Это оказалось возможным благодаря использованию интерферометра. Мы не станем вдаваться в технические подробности опыта Майкельсона — Морли, но расскажем лишь о его основной физической идее.
В этом опыте сравнивались времена прохождения света от источника S к зеркалу M и обратно к источнику для двух случаев: когда путь света был параллелен и ортогонален орбитальной скорости Земли.
Рис. 6.3. Идея опыта Майкельсона — Морли: 1 — путь света параллелен орбитальной скорости Земли; 2 — путь света ортогонален орбитальной скорости Земли
В первом случае (см. рис. 6.3–1) свет проходит путь L до зеркала за время
a обратный путь — за время
Складывая эти времена, получаем полное время, затрачиваемое светом на прохождение пути до зеркала и обратно:
Во втором случае (см. рис. 6.3–2) из-за движения зеркала и источника свет затратит на путь время
Расстояние L’ легко найти по теореме Пифагора:
откуда получаем уравнение для времени, за которое свет проходит свой путь вот втором случае
Решение этого уравнения дает
Сравнивая времена распространения света в первом и втором случаях, убеждаемся, что они различаются
Конструктивно интерферометр Майкельсона был выполнен так, что луч от источника раздваивался, часть его шла параллельно скорости Земли, а часть — ортогонально. После отражения от зеркал лучи встречались в одной точке и создавали интерференционную картину (рис. 6.4).
Рис. 6.4. Интерферометр Майкельсона: 1 — общий вид; 2 — схема установки
Никакой разницы во временах прохождения обоих путей обнаружено не было. Но, быть может, скорости Земли и эфира случайно совпали, и потому эфирного ветра не наблюдалось? Опыт повторили через полгода, когда Земля в своем орбитальном движении повернула в противоположную сторону. Результат оказался тем же.
Источник
Результат скорости света майкельсон
Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. Физика 11. Учебник. М.: Просвещение, 2004.
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.
- 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.
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 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.
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 – расстояние от зубчатого колеса до зеркала, – период вращения зубчатого колеса, – частота вращения, при которой в первый раз исчезает световой поток в окуляре, – число зубцов. Так как , получаем расчетную формулу для определения скорости света данным методом:
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: , где – частота вращения, при которой в окуляре вновь появляется свет после первого исчезновения.
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 – /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 .
В эксперименте используется восьмигранная призма. Поэтому время поворота призмы на одну грань , , где ν1 – частота вращения призмы, при которой свет появляется в первый раз. Таким образом, .
Источник