Doświadczenie Michelsona-Morleya

Z Wikipedii

Doświadczenie Michelsona-Morleya - eksperyment zaliczany obecnie do najważniejszych doświadczeń w historii fizyki. Miał na celu, poprzez porównanie prędkości światła w różnych kierunkach względem Ziemi, wykazanie ruchu Ziemi względem hipotetycznego eteru. 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, czyli ostatecznie wykluczyło istnienie eteru.

[edytuj] Powód przeprowadzenia eksperymentu

Wiatr eteru wywołany ruchem Słońca i Ziemi wokół Słońca.

Fizyka w XIX w. zakładała, że fale rozprzestrzeniają się tylko w ośrodkach sprężystych (przykładowo dźwięk - w powietrzu). Światło jako fala też powinna rozprzestrzeniać się w jakimś ośrodku, ośrodek ten nazywano eter. Eter miałby przenikać całą przestrzeń, powinien pozostawać w spoczynku względem Wszechświata i powinien wyznaczać absolutny układ odniesienia. Prędkość światła powinna być stała względem tego ośrodka, a dla obserwatorów poruszających względem eteru prędkość światła powinna być inna i równa różnicy wektorowej prędkości światła w ośrodku i prędkości obserwatora względem ośrodka.

Ziemia wraz ze Słońcem porusza się względem Wszechświata, do tego dochodzi ruch Ziemi wokół Słońca z prędkością 30 km/s.

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.

[edytuj] 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 po 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 miedzy 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.

[edytuj] 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. W wynikach doświadczenia Michelson i Morley ogłosili, że prędkość Ziemi jest mniejsza od 5 km/s.

Na początku XX w. doświadczenie było wielokrotnie powtarzane w różnych warunkach i zawsze z takim samym skutkiem.

[edytuj] Wyjaśnienie

Jedną z hipotez przedstawił Hendrik Antoon Lorentz. Zaproponował, że ruch ciał względem eteru skraca długość ciała o czynnik . Było to początkiem przekształcenia znanego obecnie jako transformacja Lorentza.

Ostatecznym wyjaśnieniem tego efektu i upadku koncepcji eteru było ogłoszenie przez A. Eisteina w 1905 roku założeń szczególnej teorii względności z jej głównym postulatem głoszącym, że prędkość światła w próżni jest jednakowa we wszystkich inercjalnych układach odniesienia.