Doświadczenie Michelsona-Morleya –
eksperyment
zaliczany obecnie do
najważniejszych doświadczeń
w historii
fizyki
. Miał na celu wykazanie ruchu Ziemi względem hipotetycznego
eteru
poprzez porównanie
prędkości
światła
w różnych kierunkach względem kierunku ruchu Ziemi. Doświadczenie zostało przeprowadzone po raz pierwszy w
1881
przez
Alberta Abrahama Michelsona
, który w 1887 powtórzył je wraz z
Edwardem Morleyem
.
Dało ono wynik negatywny (tj. wykazało niezależność prędkości światła od prędkości Ziemi w przestrzeni), co stało się doświadczalnym potwierdzeniem stałości prędkości światła w każdym
układzie odniesienia
[1] i ostatecznie wykluczyło istnienie eteru.
Powód przeprowadzenia eksperymentu
Wiatr eteru wywołany ruchem Słońca i Ziemi wokół Słońca.
Fizyka w
XIXw
. zakładała, że
fale
rozprzestrzeniają się tylko w
ośrodkach sprężystych
(przykładowo
dźwięk
– w
powietrzu
). Światło, wg tej koncepcji, jako
fala elektromagnetyczna
też powinno rozprzestrzeniać się w jakimś sprężystym ośrodku, który nazywano eterem. Eter miałby wypełniać całą
przestrzeń
, pozostawać w spoczynku względem
Wszechświata
i wyznaczać absolutny układ odniesienia. Prędkość światła powinna być stała względem tego ośrodka, a dla obserwatorów poruszających względem eteru – inna i równa
różnicy wektorowej
prędkości światła w ośrodku i prędkości obserwatora względem ośrodka.
Ziemia
wraz ze Słońcem porusza się względem Wszechświata, na to nakłada się jej ruch wokół Słońca z prędkością 30
km
/
s
, zatem powinna poruszać się względem eteru.
James Clerk Maxwell
zauważył, że mierząc prędkość światła w różnych okresach
roku
lub
doby
można by wyznaczyć prędkość ruchu Ziemi względem eteru, ale nie wierzył w możliwość wykonania doświadczenia z wystarczająco dużą dokładnością.
Doświadczenie Michelsona
Ilustracja doświadczenia Michelsona-Morleya A - źródło światła monochromatycznego
B - półprzepuszczalna płytka
C - zwierciadła
D - ekran
Albert Michelson, po zapoznaniu się z pomysłami Maxwella, obmyślił sposób przeprowadzenia doświadczenia. Uznał, że do określenia prędkości wiatru eteru nie potrzeba wyznaczać prędkości światła, wystarczy porównać prędkość światła w różnych kierunkach. Skonstruował przyrząd zwany
interferometrem Michelsona
.
W interferometrze wiązka światła zostaje podzielona półprzezroczystą płytką na dwie prostopadłe wiązki, które po odbiciu od
zwierciadeł
i powtórnym przejściu przez płytkę trafiają do
teleskopu
, w którym widać jasne i ciemne prążki jako wynik
interferencji
obu wiązek. Obraz interferencji zależy od różnicy
czasu
przebiegu obu wiązek między płytką a zwierciadłami, bo w pozostałej części drogi światła obie wiązki biegną tą samą drogą. Gdyby czas przebycia światła między płytką a zwierciadłem 1 zmienił się o inną wartość niż czas dla drugiej drogi, to układ prążków interferencyjnych przesunąłby się. W ten sposób można wyznaczyć nawet niewielkie różnice w prędkości rozchodzenia się światła.
Gdyby istniał wiatr eteru, wystarczyłoby obrócić interferometr, a układ prążków powinien przesuwać się. Michelson, jako dokładny obserwator, oszacował że dokładność pomiaru urządzenia jest 4 razy większa od przesunięcia prążków, jakie powinien uzyskać dla prędkości ruchu Ziemi wokół Słońca.
Ku swojemu zaskoczeniu nie wykrył ruchu prążków. Wynik doświadczenia był zdumiewający dla ówczesnych fizyków, powszechnie wątpiono w prawdziwość i dokładność pomiaru.
Drugie doświadczenie
Michelson postanowił powtórzyć doświadczenie, dokonał tego razem z E. Morleyem. W doświadczeniu tym zwiększono dziesięciokrotnie długość drogi światła, zwiększając dokładność pomiaru. By zapobiec nawet najmniejszym drganiom zwierciadeł, układ interferometru pływał w korytach wypełnionych
rtęcią
. Pomimo takiej precyzji i przeprowadzenia wielu doświadczeń w wielu kierunkach, przez rok nie zauważono zmian w układzie prążków interferencyjnych.
Na początku
XX
w. doświadczenie było wielokrotnie powtarzane w różnych warunkach i zawsze z takim samym skutkiem.
Wyjaśnienie
Jedną z hipotez przedstawił
Hendrik Antoon Lorentz
. Zaproponował, że ruch ciał względem eteru skraca długość ciała o czynnik (c - prędkość światła). Było to początkiem przekształcenia znanego obecnie jako
transformacja Lorentza
.
Próbowano również wyjaśnić wynik eksperymentu tym, że eter w pobliżu Ziemi jest przez nią unoszony, w efekcie czego – nieruchomy względem niej, podczas gdy dalej od niej pozostaje ruchomy. Jednak takie zachowanie eteru powinno spowodować charakterystyczne krążenie gwiazd widzianych z Ziemi po elipsach, czego nie obserwowano.
Ostatecznym wyjaśnieniem tego efektu i upadku koncepcji eteru było ogłoszenie przez
A. Einsteina
w
1905
roku
szczególnej teorii względności
z jej głównym postulatem głoszącym, że prędkość światła w
próżni
jest jednakowa we wszystkich
inercjalnych układach odniesienia
.
Źródła
- ↑ Edwin F. Taylor, John A. Wheeler, Fizyka czasoprzestrzeni, PWN, Warszawa 1975, str. 28 i dalsze
Zobacz też