Опыт Майкельсона—Морли

Как уже упоминалось, в свое время были предприняты попытки определить абсолютную скорость Земли сквозь воображаемый «эфир», который, как тогда считалось, заполняет все пространство. Наиболее известным из этих опытов был опыт Майкельсона—Морли, выполненный в 1887 году. Отрицательные результаты этого опыта были окончательно объяснены Эйнштейном только через 18 лет.

Для опыта Майкельсона—Морли было использовано устройство, схема которого изображена на рис. 3.2. Это устройство включало в себя источник света А, полупрозрачную посеребренную стеклянную пластинку В и два зеркала, Си?; пластинка и зеркала закреплены на жестком основании. Зеркала были расположены на равных расстояниях L от пластинки В. Пластинка В расщепляет падающий на нее пучок света на два, продолжающие двигаться по взаимно перпендикулярным направлениям к зеркалам, которые отражают их обратно на В. Пройдя снова сквозь пластинку В, эти пучки D и F накладываются друг на друга. Если время прохождения света от В до ? и обратно равно времени прохождения от В до С и обратно, то отраженные пучки В и В окажутся в фазе и взаимно усилятся, но если времена слегка различаются, то возникнет небольшой сдвиг по фазе, и будет наблюдаться интерференция. Если устройство «покоится» в эфире, то времена будут в точности равны, но если оно движется направо со скоростью и, то времена должны различаться. Давайте посмотрим, почему.

Сначала подсчитаем время прохождения света от В к В и обратно. Пусть t_x — время движения света «туда», a t₂ — время движения «обратно». Пока свет движется от пластинки к зеркалу, наше устройство пройдет путь ut_lt поэтому свет, двигаясь со

Рис. 3.2. Схема опыта Майкельсона—Морли

скоростью с, пройдет расстояние L + ut_x. Мы можем поэтому обозначить это расстояние как ct±, так что имеем

(Этот результат очевиден также, если учесть, что скорость света относительно устройства равна с - и, поэтому время равно длине L, деленной на с - и.) Точно также можно подсчитать время t₂. За это время пластинка В приблизится на расстояние ut₂, поэтому на обратном пути свет пройдет путь L - ut₂. Тогда имеем

Тогда общее время удобнее записать в виде

Теперь вычислим время t₃ движения света от пластинки В до зеркала С. Как и прежде, за время t₃ зеркало С пройдет направо путь ut₃ и перейдет в точку С, за то же самое время свет пройдет путь ct₃ вдоль гипотенузы треугольника ВС'. Для этой гипотенузы имеем

или

откуда получим

При обратном движении свет проходит тот же путь, что можно видеть из симметрии рисунка, поэтому общее время равно 21₃. После небольшого преобразования формы мы можем написать

Теперь мы можем сравнить времена, затраченные на движение двумя пучками света. В выражениях (3.4) и (3.5) числители совпадают — это время распространения света в покоящемся приборе. Член и²/с² в знаменателе будет очень мал, за исключением тех случаев, когда скорость и сравнима со скоростью с. Знаменатели определяют изменение времени из-за движения устройства. Обратите внимание: эти изменения не одинаковы — время движения до точки С и обратно немного меньше, чем время движения до точки Е и обратно, несмотря на то, что зеркала установлены на равном расстоянии от В. Остается только точно измерить эту разницу.

Здесь возникает одна техническая тонкость — предположим, что оба расстояния L не точно равны друг другу. Действительно, мы не можем сделать их абсолютно равными. В таком случае мы просто поворачиваем все устройство на 90 градусов, так что теперь прямая ВС направлена вдоль движения, а BE — перпендикулярно движению. Тогда различие в расстояниях становится несущественным, и остается только наблюдать смещение интерференционных полос, происходящее при повороте аппарата.

Выполняя свой опыт, Майкельсон и Морли так расположили свое устройство, что отрезок BE был параллельным скорости Земли при ее движении по орбите (в определенный час дня и ночи). Эта орбитальная скорость составляет около 30 км/с, и любое «перемещение эфира» должно было иметь по крайней мере такую же величину в определенные часы дня или ночи и в определенное время года. Устройство было достаточно чувствительным, чтобы обнаружить такое явление, но никакой разницы во времени обнаружено не было — скорость Земли сквозь эфир обнаружить не удалось. Результат опыта оказался нулевым.

Это было загадочно и тревожно. Первую плодотворную идею, как выйти из создавшегося тупика, выдвинул Лоренц. Он предположил, что все материальные тела при движении сжимаются и это происходит только в направлении движения. Если длина покоящегося тела равна L₀, то при движении со скоростью и в направлении, параллельном длине, новая длина, которую мы назовем L« (L параллельное), определяется выражением

Если эту формулу применить к устройству Майкельсона—Морли, то расстояние от В до С не изменится, но расстояние от В до

Vo о

• 1 - и /с . Поэтому выражение
• (3.5) не изменится, а в (3.4) следует заменить L в соответствии с (3.6). После этого получим

Сравнивая этот результат с (3.5), мы видим, что t_x + t₂ = 2t_s. Следовательно, если наше устройство сжимается указанным образом, можно понять, почему опыт Майкельсона—Морли не дал результата. Хотя гипотеза о сокращении успешно объясняла отрицательный результат опыта, существовало мнение, что она была придумана специально для объяснения затруднения. Она была слишком искусственной. Однако во многих других экспериментах, имевших целью обнаружить эфирный ветер, возникали аналогичные трудности, пока не возникло впечатление, что силы природы устроили «тайный заговор» против человека: как только ему кажется, что он нашел явление, которое позволит определить скорость и, они тут же демонстрируют ему новое явление, разрушающее такую возможность.

В конце концов было признано (на это указал Пуанкаре), что полный тайный заговор сам по себе является законом природы! Пуанкаре предположил, что в природе существует закон о том, что эфирный ветер нельзя обнаружить никаким способом; то есть не существует способа определить абсолютную скорость.