Michelson–Morley-kísérlet

A Wikipédiából, a szabad lexikonból.

A Michelson–Morley-kísérletet 1887-ben végezte el Albert Michelson és Edward Morley, a mai Case Western Reserve University-n. A kísérlet célja az volt, hogy megmérjék a Földnek az éterhez, illetve az abszolút térhez viszonyított sebességét. A kísérlethez a Michelson által kifejlesztett interferométert használták.

A kísérlet könnyebb megértése végett tekintsük a következő analógiát: legyen egy csónak, melynek sebessége álló vízben c és egy v sebességgel áramló folyó. Ha a csónak l hosszúságú utat teszt meg a folyás iránya mentén és vissza, az utazás időtartama:

$t_1=\frac{l}{c+v}+\frac{l}{c-v}=\frac{2l}{c}(1-\frac{v^2}{c^2})^{-1}$

Ha a csónak az ugyancsak l szélességű folyó túlsó partján fekvő pontba akar eljutni, $\psi=arctg(\frac{v}{u})$ szögben kell induljon az áramlással ellentétes irányban, így kiegyenlítse a sodrás hatását. Az effektív sebesség tehát $u=\sqrt{c^2-v^2}$ , az oda-vissza út időtartama:

$t_2=\frac{2l}{\sqrt{c^2-v^2}}=\frac{2l}{c}(1-\frac{v^2}{c^2})^{-\frac{1}{2}}$

A t₁ és t₂ különbözik. Ha ismerjük a csónak c sebességét, az l távolságot és megmérjük a t₁ és t₂ időtartamokat, ki tudjuk számolni a folyó v áramlási sebességét. A kísérlet ezt az elvet alkalmazza, annyi különbséggel, hogy a csonakot a fénysugár, a folyót pedig az éter helyetesíti ^[1].

Ahogy a hang sebességét is a levegőhöz viszonyítva adják meg, úgy a fény sebességét is az éterhez viszonyítják. Ha például a hang sebessége 330 méter másopdercenként, és a megfigyelő 10 m/s sebességgel távolodik a forrástól, akkor a megfigyelőhöz képest a hangsebesség 320 m/s lesz. A Michelson – Morley kísérlet kiindulási hipotézise ugyanez volt: megmérni a fény sebességét a Földhöz képest, és ebből következtetni lehet a Földnek az éterbeli sebességére. A Föld sebességének iránya (és nagysága is) az év során változik a Nap körüli keringés hatására. Tavasszal és ősszel például közel azonos, de más irányú a Föld sebessége.

A Michelson-féle interferométer.
F - forrás
A,B - tükrök
E - ernyő

A kísérletben használt interferométer a képen van föltüntetve. A forrásból jövő fényt a félig áteresztő tükör két sugárra osztja, amik az A és B tükrökről visszaverődnek. A félig áteresztő tükör újból két részre osztja őket, most viszont a sugaraknak csak az a része érdekes, amelyik az E ernyő felé indult. Az ernyőn interferenciakép fog jelentkezni, ami az ernyőre eső két fénysugár fáziskülönbségéből ered. A fáziskülönbség az út-, illetve időkülönbség miatt jelentkezik:

$t_P=2\frac{ l_P}{v} \frac{1}{1-\frac{v}{c}}$

$t_M=2\frac{l_M}{v} \frac{1}{\sqrt{1-\frac{v}{c}}}$

A kutatók az interferométer egyik karját a Föld sebességvektorával párhuzamosra állították, míg a másik merőleges volt rá. A párhuzamos kar mentén terjedő fény t_P idő alatt, míg a merőleges kar mentén terjedő fény t_M idő alatt jut az ernyőhöz. Az időkülönbség fáziskülönbséget okoz, ami interferenciagyűrűk formájában jelenik meg az ernyőn. Az egész interferométert 90 fokkal elforgatva a másik kar lesz párhuzamos a Föld sebességvektorával. A forgatás közben figyeljük az interferenciagyűrűk változását, ami az időkülönbségtől függ. Ebből meghatározható a Földnek az éterhez viszonyított sebessége.

E kísérlet eredménye, mindenki legnagyobb meglepetésére, negatív volt, vagyis a keresett sebesség mindig nullával volt egyenlő. A kísérletet az év folyamán többször is elvégezték, és mindig ugyanarra az eredményre jutottak.

Morley nem volt elégedett a kísérlet eredményével, és folytatta a kutatást Dayton Millerrel, aki a pontosabb mérések érdekében az interferométer karjait növelte. A Mount Wilsonon felállított interferométer karjai egyenként 16 méter hosszúak voltak.