3.Опыт Майкельсона. Результаты и интерпретация опыта. Степакова

М а йкельсона о пыт, опыт, поставленный впервые А. Майкельсоном в 1881 с целью измерения влияния движения Земли на скорость света. Отрицательный результат М. о. был одним из основных экспериментальных фактов, легших в основу относительности теории.

В физике конца 19 века предполагалось, что свет распространяется в некоторой универсальной мировой среде — эфире. При этом ряд явлений (аберрация света, Физо опыт) приводил к заключению, что эфир неподвижен или частично увлекается телами при их движении. Согласно гипотезе неподвижного эфира, можно наблюдать " эфирный ветер" при движении Земли сквозь эфир и скорость света по отношению к Земле должна зависеть от направления светового луча относительно направления её движения в эфире.

Суть опыта состояла в следующем: световой луч разделяется на две части при помощи полупрозрачной пластинки О (рис. 7), которые далее распространялись во взаимно перпендикулярных направлениях, а затем с помощью зеркал З₁ и З₂сводились вместе и интерферировали.

Дадим элементарное математическое описание опыта.

Выберем СО «Земля». Расположим первоначальное плечо l₁ вдоль направления Земли. Скорость света в неподвижном эфире – с. При движении 1-го луча вдоль ОЗ₁из-за эфирного ветра согласно ТСС скорость света относительно прибора будет (с-v) и для прохождения пути ОЗ₁ 1-му лучу потребуется время t₁=l₁/(c-v). После отражения от зеркала З₁ до возвращения к полупрозрачной пластине О 1-й луч затратит время t₂=l₁/(c+v). Полное время движения 1-го луча «туда» и «обратно» равно: t¹+t²= l¹/(c-v)+ l¹/(c+v)=(2l¹/c)*(1-v²/c²)^-1.

Для нахождения времени движении 2-го луча перейдём в ИСО «Звёзды» (рис. 8). Мы имеем право это сделать ввиду равноправия ИСО. Кроме того, нам нужно определить время движения 2-го луча, а эта величина в классической физике является инвариантом. Физически же переход обусловлен тем, что в ИСО «Земля» скорость света в направлении ОЗ₂ не равна с. В ИСО «Звёзды» это затруднение с определением скорости 2-го луча устраняется, так как в этой ИСО эфир неподвижен и луч 2 действительно имеет скорость с. Как видно из рис. 8., на основании т. Пифагора можно составить следующее равенство: v²t₂’+l₂²=c²t₁’², откуда получаем время движения 2-го луча к З₂: t₁’=(l₂/c)*(1-v²/c²)^-1/2. В силу симметрии рис. 8 можно утверждать, что t₂’=t₁’. Таким образом, полное время движения 2-го луча равно: t₁’+t₂’=(2l₂/c)*(1-v²/c²)^-1/2.

Определим разность времени хода 1-го и 2-го лучей до встречи у полупрозрачной пластины:

После поворота прибора на 90о, плечи l1 и l2 поменяются местами и, повторяя предыдущие выкладки, получаем для разности хода лучей в этом положении экспериментальной установки:

Как видно из последних двух выражений, вывод которых основам на гипотезе абсолютно неподвижного в мировом пространстве эфира, величины ∆ t и ∆ t’ не равны друг другу, а это означает, что интерференционная картина на втором этапе опыта должна отличаться от первоначальной. Однако в опыте Майкельсона и в его более точных повторениях вплоть до последнего времени никакого изменения интерференционной картины не наблюдалось.