Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

Как эксперимент Майкельсона-Морли показал, что скорость света постоянна.

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

Вы когда-нибудь задумывались о том, как можно измерить скорость света? Вопрос уходит корнями глубоко в историю: гипотезы в свое время выдвигали Галилей, Гук и Декарт. Но только во второй половине XIX – начале XX веков исследования в области измерения скорости света получили активное развитие: новые методы, множество экспериментов и, наконец, второй постулат специальной теории относительности.

 

Рассматривая вопрос измерения скорости света, невозможно обойти стороной фигуру Альберта Абрахама Майкельсона. Американский физик, наиболее известный по эксперименту Майкельсона-Морли, внес более значимый вклад в физику, чем многие полагают. Он не был таким известным теоретиком, как Альберт Эйнштейн или Макс Планк, он был великим экспериментатором.

 

Результаты его экспериментов по точному измерению скорости света оказали влияние на принятый и известный сегодня стандарт, где «с» – скорость света – равна 299792,458 км/с. А если принять во внимание опыт, который опроверг идею существования эфира и привел к появлению теории относительности Эйнштейна, Майкельсона можно по праву назвать очень влиятельным ученым.

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света? Wikipedia

Считайте, он был Тихо Браге своего поколения. Браге – датский астроном и алхимик, дотошный экспериментатор и наблюдатель эпохи Возрождения. Без него Иоганн Кеплер, возможно, не был бы так известен, как сегодня. Ведь при формулировке своих законов немецкий ученый использовал именно заметки Браге.

 

Но вернемся к Майкельсону, которому удалось измерить постоянную скорость распространения света не только в одной системе отсчета, а сразу во всех. А это уже совсем разные вещи.

 

Метод вращающегося зеркала

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

primogif.com

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

imgur.com

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

 gfycat.com

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

 Wikimedia Commons

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

reddit.com

Все 5 анимаций, которые вы видите, имеют одну общую черту: каждая из них была записана с использованием той же технологии, которую использовал Майкельсон для измерения скорости света.

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

gfycat.com

Все они используют вращающееся зеркало, чтобы точно направлять свет на ряды крошечных фотопластин. Причина, по которой камера способна отследить снаряд рельсовой пушки (на картинке ниже), движущийся со скоростью около 3 км/с или 1/100000 скорости света, заключается в том, что зеркало перемещается по раме вместе со снарядом. Благодаря такому быстрому вращению ученые смогли зафиксировать все представленные изображения.

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?gfycat.com

Но метод с зеркалом предложил отнюдь не Майкельсон, а французский физик и механик Леон Фуко, который впервые измерил скорость света с помощью вращающегося со скоростью 512 оборотов в секунду зеркального устройства.

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света? Wikipedia

В его эксперименте свет отражался от вращающегося зеркала в неподвижное зеркало с большим радиусом кривизны, которое отражало свет обратно во вращающееся.

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?docs.google.com

Ниже представлена двухмерная схема аппарата Фуко.

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света? wikiwand.com

На верхней схеме изображено, как свет проходит через устройство, когда зеркало не вращается (черные линии). Когда зеркало приходит в движение, свет распространяется наружу (красные и зеленые линии). В трехмерном изображении это похоже на яркое кольцо.

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

pinterest.ca

Измеряя, как далеко находились края светового кольца M' от источника света, когда зеркало не вращалось (M), и применяя простые математические формулы, Фуко смог рассчитать скорость света, которая была в пределах 0,6% от современного значения. А ведь это было около 250 лет назад!

 

Майкельсон усовершенствовал эту технику, увеличив расстояние между вращающимся (R) и отражающим зеркалами (от R до M) с 20 метров до 600. В более точных экспериментах Майкельсона расстояние от R до M составляло 35 километров! На 600 метрах полученное число находилось в пределах 0,05% от принятого сегодня значения. Таким образом, на большем расстоянии итоговые показатели были улучшены в десятки раз.

 

Используя те же основные элементы современных сверхскоростных камер, которые могут захватывать свет, движущийся через определенную среду, Майкельсон измерил скорость, с которой свет распространяется между двумя точками, которые находятся в состоянии покоя относительно друг друга.

 

Поскольку для разных испытаний использовались разные источники света, а результаты практически не менялись, Майкельсон показал, что свет всех типов проходит через систему отсчета с постоянной скоростью. Особенно когда источник и детектор находятся в покое относительно друг друга. Следовательно, ученый смог измерить постоянную скорость распространения всех типов света через универсальную систему отсчета.

 

Эксперимент Майкельсона-Морли

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

 liquidgravity.nz

В 1887 году два американских физика решили доказать существование светоносного эфира. Его пытались обнаружить ученые всего мира, поскольку Джеймс Максвелл сумел подробно обосновать эту концепцию в своих работах. Причем Максвелл не разрабатывал конкретные модели эфира и не опирался на его свойства, кроме способности поддерживать перемещения электромагнитных колебаний в пространстве.

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

Используя приведенное выше уравнение и его экспериментально определенные значения диэлектрической проницаемости и проводимости, Максвелл рассчитал скорость света в пределах 5% от современного значения. Поскольку ему удалось это сделать, ученый предположил, что свет был волной и для его распространения требовалась среда. Эта среда была названа «эфиром», который и пытались обнаружить Майкельсон и Морли в своем эксперименте.

 

Предполагалось, что в случае существования эфира время, которое потребовалось бы свету, чтобы пройти через два зеркала-отражателя интерферометра, используемого Майкельсоном и Морли, было бы другим и возвращалось бы «в противофазе». Оно бы также менялось в течение года, потому что Земля, вращаясь по орбите, изменила бы свое положение относительно эфира (как на изображении справа).

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?gifer.com/

То есть «эфирный ветер» должен был обдувать планету и смещать показатели интерферометра полгода в одну сторону, полгода – в другую. Но через год Майкельсон и Морли не обнаружили никаких интерференционных изменений! Это значило, что свет всегда имел одинаковое время пути при прохождении через два зеркала аппарата и всегда возвращался по фазе в один и тот же момент.

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света? Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

xw.qq.com

На картинках выше – интерференционные образцы, созданные интерферометром.

 

Эксперимент подтвердил, что раз нет эфирного ветра, то нет и самого эфира, а значит, свет не является волной в ее классическом понимании.

Так, эксперимент Майкельсона-Морли, который стал подтверждением гипотезы о том, что свет с постоянной скоростью проходит через все системы отсчета, привел к появлению теории относительности. И несмотря на то, что Эйнштейн утверждал, что, разрабатывая теорию, не учитывал результаты экспериментальных исследований, нельзя отрицать, что опыт американских ученых не способствовал более быстрому принятию радикальной теории научным сообществом.

 

Выводы

Насчет значимости вклада Альберта Майкельсона в современную физику не должно быть никаких сомнений. Во-первых, он точно измерил скорость света с помощью своих экспериментов, усовершенствовав метод Фуко; во-вторых, разработал интерферометр, который использовался для тестов эфира и предоставил доказательства для второго постулата Эйнштейна.

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

Несмотря на распространенные убеждения, эксперимент Майкельсона-Морли не был направлен на измерение скорости света. Благодаря использованию светоделителя опыт позволил американским физикам устроить «гонку» между двумя одинаково быстрыми «машинами». Единственный результат, который имел значение, заключался во времени начала и конца светового пути, а не в том, насколько быстрым он был. Поскольку расщепленные полупрозрачным зеркалом световые лучи возвращались в один и тот же момент, их скорости должны были быть одинаковыми.

 

И хотя опыт Майкельсона-Морли стал экспериментальным доказательством второго постулата специальной теории относительности, его результаты можно объяснить, рассматривая относительную скорость света. Предполагая, что движущийся источник может создать более высокую скорость распространения света, дополнительная скорость отменяет эффект движения зеркал в устройствах. Предположение об изменении скорости распространения света из-за движения источника также устраняет необходимость сокращать длину, чтобы объяснить результаты эксперимента Майкельсона-Морли.

Как Майкельсон и Морли измерили скорость света?

На картинке выше можно увидеть, что свет проходит через воздух намного быстрее, чем через смолу. Это подтверждает мысль о том, что коэффициент преломления различных веществ влияет на скорость распространения света.

 

Обложка: scienceabc.com

Оцените новость:
13.04.20 (12:11)
3 103
Источник — © 1gai.ru
Автор — 1gai
Переболели ли вы коронавирусом (или кто-то из ваших родных/знакомых)?

Новостная рассылка


Рассылка анонсов статей производится каждый понедельник