Michelsono ir Morlio eksperimentas: eterio hipotezės paneigimas
Sužinokite, kaip Michelsono–Morlio 1887 m. interferometro eksperimentas paneigė eterio hipotezę ir pakeitė mūsų supratimą apie šviesos sklidimą.
Michelsono-Morlio eksperimentas buvo mokslinis eksperimentas, kuriuo siekta nustatyti medžiagos, vadinamos eteriu - medžiagos, kuri, kaip manoma, užpildo tuščią erdvę - buvimą ir savybes. Eksperimentą 1887 m. atliko Albertas A. Michelsonas ir Edvardas Morley.
Kadangi vandens bangoms reikia kažko, kuo jos galėtų judėti (vanduo), o garso bangoms - taip pat (oras), buvo manoma, kad šviesai taip pat reikia kažko, kuo ji galėtų judėti. XVIII a. mokslininkai šią medžiagą pavadino eteriu pagal graikų šviesos dievo vardą. Jie manė, kad eteris yra aplink mus ir kad jis taip pat užpildo erdvės vakuumą. Michelsonas ir Morley sukūrė šį eksperimentą, norėdami įrodyti teoriją, kad eteris egzistuoja. Jie tai darė naudodami prietaisą, vadinamą interferometru.
Eksperimento idėja buvo tokia: jei Žemė juda per eterį, šalia Žemės turėtų būti „eterio vėjas“ — panašiai kaip vėjas, kai einame per orą. Šis eterio „vėjas“ keistų šviesos greitį skirtingomis kryptimis. Naudodami interferometrą, kuriame šviesos spindulys yra padalijamas į dvi kampu išdėstytas dalis, nukreipiamas į atskirus veidrodžius ir vėl suvedamas, mokslininkai tikėjosi matyti pasikeitusį interferencinių juostų išsidėstymą (fringes) priklausomai nuo prietaiso orientacijos ir Žemės judėjimo. Pagal to meto spėjimus poslinkis turėjo būti matomas, nes Žemės orbitos greitis (~30 km/s) turėjo suteikti reikšmingą eterio vėjo efektą.
Interferometro konstrukcija ir lūkesčiai
Michelsono–Morlio interferometras turėjo labai tikslią optinę sistemą: šviesos šaltinis, daliklis (pusiau pralaidus veidrodis), du statmenai išdėstyti keliai (arm), atitinkantys atskirus veidrodžius, į kuriuos šviesos spinduliai atsispindi, ir ekraną, kuriame matomas interferencinis vaizdas. Jei vienas kelias būtų šiek tiek ilgesnis dėl eterio vėjo, atsirastų fazinis poslinkis ir interferencinių juostų poslinkis. Teoriškai numatomas poslinkis buvo proporcingas (v^2/c^2), kur v — Žemės greitis pagal eterį, c — šviesos greitis vakuume.
Rezultatas ir reikšmė
Rezultatas buvo „nulinis“ — stebėtas debesys maždaug tokių verčių, kurių negalėjo paaiškinti eterio egzistavimo hipotezė. Michelsonas ir Morley neturėjo numatytų poslinkių dydžio pagal eterio teoriją; išmatuotas poslinkis buvo daug mažesnis už numatytą. Jie pakartotinai tikrino, keitė instrumentą, atliko matavimus skirtingu paros ir metų laiku, tačiau ryškaus eterio vėjo požymio nepastebėjo.
Šis rezultatas turėjo didelę įtaką fizikai. Iš pradžių buvo bandoma paaiškinti nulį įvairiomis papildomomis hipotezėmis — pavyzdžiui, Lorentzo ir FitzGeraldo pasiūlyta trumpėjimo hipotezė (objektai, judėdami per eterį, trumpėja kartu su judėjimu), kuri vėliau suteikė matematinį pagrindą tam, kas tapo Lorentzo transformacijomis. Tačiau galutinis paaiškinimas atėjo kartu su Albertu Einšteinu — 1905 m. jis pasiūlė specialiąją reliatyvumo teoriją, kurioje šviesos greitis vakuume laikomas konstantu visiems inercialiniams stebėtojams, todėl eterio nereikia, o Michelsono–Morlio „nulinis“ rezultatas tampa natūraliu šios teorijos pasekmiu.
Tolesni testai ir šiuolaikinės ribos
Po 1887 m. buvo atlikta daug panašių ir tikslesnių eksperimentų: Kennedy–Thorndike, Trouton–Noble, Dayton Miller atlikti ilgalaikiai matavimai (vėliau jų rezultatai buvo nagrinėjami kritikų ir priskirti šiluminiams bei instrumentaliniams efektams). XX a. viduryje ir pabaigoje naudojant lazerius ir rezonansines optines ertmes, šviesos laiką ir greitį skirtingomis kryptimis dabar galima matuoti su labai dideliu tikslumu. Šiuolaikinės analizės riboja galimą šviesos greičio izotropijos pažeidimą iki labai mažų verčių (kai kurių eksperimentų riba — apie 10^−17–10^−18 lygį), todėl klasikinio eterio idėja praktiškai atmesta.
Pagrindiniai faktai trumpai
- Laikas: 1887 m.
- Atlikėjai: Albertas A. Michelsonas ir Edvardas Morley.
- Metodas: interferometrija — šviesos spindulių suvedimas ir interferencinių juostų analizė.
- Rezultatas: nenustatyta laukiamosi eterio „vėjo“ įtaka — „nulinis“ rezultatas.
- Reikšmė: kvestionavo eterio egzistavimą, paskatino teorinius paaiškinimus (Lorentzo trumpėjimas) ir prisidėjo prie specialiosios reliatyvumo teorijos priėmimo.
Michelsono–Morlio eksperimentas išlieka pavyzdžiu, kaip tikslūs eksperimentai gali paneigti plačiai priimtas idėjas ir paskatinti revoliucinius teorinius pokyčius. Pats Albertas Michelsonas už savo tipo eksperimentinius tyrimus optikos srityje 1907 m. buvo apdovanotas Nobelio premija.
Eksperimentas
Žemė aplink Saulę skrieja labai greitai (daugiau nei 100 000 km per valandą). Jei egzistuoja eteris, Žemė, judėdama per jį, sukeltų "vėją" taip pat, kaip atrodo, kad už judančio automobilio ribų pučia vėjas. Žmogui, sėdinčiam automobilyje, oras už automobilio ribų atrodytų kaip judanti medžiaga. Lygiai taip pat ir eteris Žemėje esantiems daiktams turėtų atrodyti kaip judanti medžiaga.
Interferometras buvo sukurtas "eterio vėjo" greičiui ir krypčiai matuoti matuojant šviesos, sklindančios skirtingomis kryptimis, greičio skirtumą. Šį skirtumą jis matavo šviečiant šviesos spinduliu į veidrodį, kuris buvo tik iš dalies padengtas sidabru. Dalis spindulio atsispindėdavo į vieną pusę, o likusi dalis - į kitą. Tuomet šios dvi dalys atsispindėdavo atgal į vietą, kur jos buvo padalytos, ir vėl susijungdavo. Žvelgiant į interferencijos modelius rekombinuotame šviesos pluošte, būtų galima pastebėti bet kokius greičio pokyčius dėl eterio vėjo.
Jie nustatė, kad iš tikrųjų matavimai iš esmės nesiskyrė. Tuo metu mokslininkų bendruomenę tai suglumino ir paskatino kurti įvairias naujas teorijas, paaiškinančias šį rezultatą. Svarbiausia iš jų buvo Lorenco koeficientas, naudojamas Alberto Einšteino specialiojoje reliatyvumo teorijoje.
Michelsono interferometras veikia tuo pačiu principu kaip ir originalus eksperimentas. Tačiau jame šviesos šaltinis yra lazeris.
Klausimai ir atsakymai
K: Koks buvo Michelsono ir Morley eksperimento tikslas?
A: Michelsono-Morley eksperimento tikslas buvo patikrinti medžiagos, vadinamos eteriu, buvimą ir savybes.
K: Kas yra eteris?
A: Eteris buvo hipotetinė medžiaga, kuri, kaip buvo manoma, užpildo tuščią erdvę ir yra būtina šviesai sklisti.
K: Kada buvo atliktas Michelsono ir Morlio eksperimentas?
A: Michelsono ir Morley eksperimentas buvo atliktas 1887 m.
K: Ką parodė Michelsono-Morlio eksperimentas?
A.: Michelsono-Morlio eksperimentas parodė, kad eteris neegzistuoja.
K: Ką XVIII a. mokslininkai manė apie eterį?
A: XVIII a. mokslininkai manė, kad eteris yra aplink mus ir užpildo erdvės vakuumą.
K: Ką Michelsonas ir Morley naudojo savo eksperimentui atlikti?
A: Michelsonas ir Morley savo eksperimentui atlikti naudojo prietaisą, vadinamą interferometru.
K: Ką bandė Michelsono ir Morley eksperimentas?
A: Michelsono ir Morley eksperimentas yra Einšteino specialiosios reliatyvumo teorijos patikrinimas.
Ieškoti