Опыты Майкельсона

Специальная теория относительности – одно из величайших достижений физики XX в. Она существенно изменила наши понятия о пространстве и времени. Перед этим в классической (релятивистской) механике утвердились представления о существовании независимого евклидова пространства и абсолютного времени, безотносительно к пространству и поведению материальных объектов в нем. Такие взгляды нашли аналитическое отражение в преобразованиях Галилея для инерциальных систем отсчета.

Представление о «мгновенностных» событиях

В утверждении представлений о существовании так называемых мгновенностей, т.е. событий или явлений происходящих мгновенно, решающую роль сыграли световые сигналы, которые доставляют значительную информацию об окружающем мире. Поскольку в повседневной жизни конечна скорость света заметно не проявляется, подсознательно она считалась бесконечно большой.

С дальнейшим развитием науки было выявлено, что в природе мгновенных сигналов не существует, что скорость света конечна – около 3·10⁸ м/с.

Анализируя истинное положение вещей, Эйнштейн заметил, что в науке при фактическом измерении времени $t$ удаленного события, как и в повседневной жизни, используются не мнимые мгновенные, а реальные световые сигналы, которые распространяются с конечной скоростью $с$. Итак, это время связано со временем наблюдению не равенством $t_r = t$, а выражением

${{t}_{r}}=t+\frac{r}{c}$

где $r$ – расстояние до события. В последнем выражении уже отражена неразрывная связь между понятиями пространства и времени: для того чтобы зафиксировать время $t$ некоторого события, необходимо знать расстояние $r$ до этого события и синхронизировать часы.

Опыты А.А. Майкельсона

Лабораторные измерения скорости света показали, что в разных средах она различна.

Для объяснения распространения световых волн в вакууме было введено понятие особой среды – эфира. Физик, который опирался на формулу для сложения скоростей в классической механике, вынужден был констатировать, что она зависит от скорости системы отсчета. По этой причине в 1881 американский физик А. А. Майкельсон (1852-1931) поставил оптические опыты с целью определения абсолютного движения Земли в мировом пространстве. С точки зрения наблюдателя на Земле он надеялся определить движение Земли относительно неподвижного эфира, сравнивая скорости света в разных направлениях относительно движения Земли в пространстве. Для сравнения скоростей света в разных направлениях был использован специальный интерферометр.

Система интерферометра Майкельсона

В опытах пучок света от источника S, попадая на полупрозрачную посеребренную пластинку П, разделялся на два луча: один – в направлении движения Земли, другой – в направлении, перпендикулярном к движению Земли. Отражаясь от зеркал М и М´, оба луча возвращались снова к пластинке Д а от нее выходили в направлении ПО и интерферировали. Поскольку расстояния ПМ и ПМ´ равны, разница ходов обоих лучей может возникнуть только изза разного времени прохождения отрезков ПМ = ПМ´. Если все прибор повернуть на 90° так, чтобы плечо интерферометра было сориентировано в направлении движения Земли, а плечо – перпендикулярно к движению Земли, то поворот интерферометра должен вызвать смещение интерференционной картины, эквивалентное разнице во времени. Другими словами, должно возникнуть смещение интерференционной картины на такую часть полосы, которую представляет относительный период Т световой волны:

$k=\frac{\Delta t}{T}=\frac{2l{{\beta }^{2}}}{cT}=\frac{2l}{\lambda }{{\beta }^{2}}$

В последних опытах А.А. Майкельсона при $l = 12$ м и использовании света с длиной волны $λ$ = 590 нм ожидалось смещения картины на $к = 0,4$ полосы.

Точность прибора позволяла фиксировать смещение на несколько сотых полосы, однако в действительности опыты никакого смещения интерференционной картины не выявили.

Тест по теме “Опыты Майкельсона”