БСЭ1/Майкельсона (Морлея) опыт

Майкельсона (Морлея) опыт
Большая советская энциклопедия (1-е издание)

Словник: Лилль — Маммалогия. Источник: т. XXXVII (1938): Лилль — Маммалогия, стлб. 704—707 ( РГБ )

МАЙКЕЛЬСОНА (МОРЛЕЯ) ОПЫТ, представляет собой попытку обнаружить движение земли относительно эфира — особой среды, к-рая, по предположению, является носителем электромагнитных волн. Из наблюдений явления звездной аберрации, к-рое было открыто Брадлеем в 1725, следовало, что эфир не увлекается движением земли. Следовательно, при этом движении свет, распространяющийся в эфире со скоростью $c$, по отношению к движущейся через эфир (со скоростью $v$) земле должен обладать различной скоростью в зависимости от направления луча. Если световой луч распространяется по направлению движения земли, то скорость света относительно земли равна $c-v$; если луч распространяется в противоположную сторону — против направления движения земли, то его относительная скорость равна $c+v$ наконец, если луч распространяется перпендикулярно к направлению движения земли, то его скорость равна

$c'={\sqrt {c^{2}+v^{2}}}$.

Поэтому Максвеллом была высказана мысль, что если бы можно было измерить разницу во временах, к-рые требуются для прохождения световым сигналом одного и того же отрезка пути в направлении, совпадающем с направлением движения земли, и в направлении, ему перпендикулярном, то тем самым было бы возможно измерить скорость движения земли относительно эфира. Однако эта разность чрезвычайно мала, она равна одной стомиллионной того времени, к-рое необходимо для прохождения световым лучом его отрезка пути. Вследствие этого, сам Максвелл считал попытку этого измерения практически безнадежной.

Несмотря на это, американский физик А. А. Майкельсон (см.) сконструировал прибор, к-рый позволяет измерять такого рода разности.Рис. 1. Этот прибор, который называется интерферометром Майкельсона (см. Интерферометры), основан на явлении (см.) света. Схема его устройства приведена на рис. 1. Луч света падает на полупосеребренную плоско-параллельную стеклянную пластинку $P$ и разделяется на два луча $1$ и $2$, к-рые идут к зеркалам $S_{1}$ и $S_{2}$ и, отразившись от них, вновь возвращаются к пластинке $P$. Здесь каждый из них испытывает еще раз расщепление, причем два луча — $1'$ и $2'$, отщепившиеся соответственно от лучей $1$ и $2$, собираются объективом наблюдательного приспособления (зрительной трубы или фотоаппарата), в к-ром образуется система интерференционных полос. Расстояние между полосами зависит от разности путей, к-рые проходят лучи $1$ и $2$ между зеркалом $P$ и зеркалами $S_{1}$ и $S_{2}$. Изменение этой разности вызывает смещение интерференционных полос. Число полос $z$, на к-рое сместится интерференционная картина, когда разность путей изменяется на величину $\delta$, будет

$z={\frac {\delta }{\lambda }}$      (1)

где $\lambda$ — длина волны применяемого света.

Основная идея М. о. заключается в том, что если эфир остается в покое, то поступательное движение интерферометра необходимо должно вызвать появление добавочной разности хода лучей, к-рая обусловливается в случае движущегося прибора тем, что лучи, идущие в направлениях к $S_{1}$ и $S_{2}$, проходят пути от $P$ до $S_{1}$ и от $P$ до $S_{2}$ и обратно к $P$ в неодинаковые промежутки времени даже в том случае, если $PS_{1}=PS_{2}$; это должно привести к смещению интерференционных полос. Путем несложного вычисления можно получить, что число полос, на к-рое сместится интерференционная картина, будет

$z={\frac {2l}{\lambda }}\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}$      (2)

Если положить $v$ = 30 км/сек., что соответствует скорости движения земли по ее орбите, то $\left({\frac {v}{c}}\right)^{2}=10^{-8}$. Величина $\lambda$ порядка $6\cdot 10^{-5}$ см.

Следовательно,Рис. 2. чтобы получить хотя бы сколько-нибудь ощутимое смещение полос, необходимо брать очень большие длины плеч интерферометра. — В первом опыте Майкельсона, произведенном в 1881, эта длина была слишком мала, так что ожидаемое смещение имело величину приблизительно ¹/₂₀ полосы, и вследствие несовершенства всего прибора эта величина могла остаться необнаруженной. Поэтому в 1887 Майкельсоном совместно с Морлеем этот опыт был повторен с более усовершенствованным прибором. Для того чтобы увеличить оптический путь $l$, они заставили световые лучи, прежде чем они сойдутся у пластинки $P$, многократно отражаться от дополнительных зеркал, так что каждый луч пробегал путь $l$ не один, а несколько раз, вследствие чего общая длина пути лучей была доведена до 11 м. Ожидаемое смещение в этом случае составляло 0,4 полосы, и если бы эффект действительно существовал, то он был бы легко обнаружен. Фактически наблюдавшееся смещение было порядка 0,01 полосы, что обусловливалось уже ошибками установки. Единственный вывод, к-рый можно было отсюда сделать, это то, что или ожидаемый эффект отсутствует полностью или он не выше той величины, к-рая соответствует смещению интерференционной картины на 0,01 полосы. Как видно из предыдущего, весь прибор должен быть сделан так, чтобы в нем постоянство оптического пути сохранялось с точностью, большей чем до одной стомиллионной, и притом в течение очень длительного промежутка времени, пока продолжался опыт. С этой целью прибор целиком монтировался на квадратную каменную плиту (рис. 2), которая плавала в сосуде с ртутью. Благодаря такой конструкции весь прибор можно было легко поворачивать вокруг вертикальной оси, не вызывая при этом никаких деформаций.

Для объяснения отрицательных результатов опыта Майкельсона Фицджеральдом и независимо от него Лоренцом была высказана гипотеза, что вследствие движения происходит сжатие линейных масштабов в направлении движения, к-рое компенсирует ожидаемый эффект. Более общей является точка зрения Эйнштейна, к-рый развил т. н. теорию относительности (см. Относительности теория). Из этой теории как следствие вытекает отрицательный результат М. о. и аналогичных ему опытов. Однако, несмотря на это, М. о. неоднократно повторялся, т. к. со стороны нек-рых физиков были возражения против теории Эйнштейна (сам Майкельсон не был сторонником теории относительности).

Первое повторение М. о. было произведено в 1904 Морлеем и Миллером, при этом результат опять был отрицательным. Однако, несмотря на это, Миллер, к-рый продолжал эти опыты уже один, начал позднее утверждать, что его опыты дают положительный результат, т. е., что ему удалось найти «эфирный ветер», соответствующий скорости земли $v$=10 км/сек. Эти сообщения Миллера, а также и ряд других соображений привели к тому, что М. о. был неоднократно повторен (Кеннеди — 1926, Иллингворт — 1927, Пикар — 1927, Майкельсон — 1929). Результат этих опытов оказался отрицательным. Таким образом, можно сказать, что, несмотря на самые тщательные попытки найти, движение земли относительно неподвижного эфира, такого движения констатировать не удалось. Следует отметить, что с целью обнаружить движение земли по отношению к эфиру производились и другие опыты, из которых можно назвать опыт Трутона и Нобля и опыт Релея и Бреса, которые также дали отрицательный результат.

Лит.: Вавилов С. И., Экспериментальные основания теории относительности, М. — Л., 1928 [дана лит.]; Майкельсон А. А., Световые волны и их применения, пер. с англ., 2 изд., М. — Л., 1934; Laue М., у., Die Optik der bewegten Körper, в кн.: Handbuch der Experimentalphysik, hrsg. v. W. Wien und F. Harms, Bd XVIII, Lpz., 1928.