Интерферометр Майкельсона

Интерферометр Майкельсона — это оптический измерительный прибор, основанный на явлении интерференции световых волн, в котором пучок света разделяется на два когерентных луча, проходящих различные оптические пути, после чего они сводятся вместе для наблюдения интерференционной картины. Прибор был разработан американским физиком Альбертом Абрахамом Майкельсоном в 1881 году и сыграл ключевую роль в экспериментальной проверке специальной теории относительности, а также в метрологии и астрономии.

История

Разработка и первые эксперименты

Идея интерферометра возникла у Майкельсона в контексте его работы над измерением скорости света. В 1881 году, будучи в Берлине, он сконструировал первую версию прибора, предназначенного для обнаружения «эфирного ветра» — гипотетического движения Земли относительно светоносного эфира. Эксперимент, проведённый в Потсдаме, не выявил ожидаемого сдвига интерференционных полос, что противоречило господствовавшей тогда теории эфира.

Эксперимент Майкельсона — Морли

Наиболее известный эксперимент с использованием интерферометра Майкельсона был проведён в 1887 году совместно с химиком Эдвардом Морли в Кливленде (США). Для повышения точности прибор был установлен на массивной каменной плите, плавающей в ртути, что позволяло вращать его без вибраций. Результаты эксперимента показали, что сдвиг интерференционных полос составляет менее 0,01 ожидаемой величины, что было интерпретировано как отсутствие эфирного ветра. Этот результат стал одним из ключевых эмпирических оснований для создания специальной теории относительности Альберта Эйнштейна в 1905 году.

Дальнейшее применение

В XX веке интерферометр Майкельсона был адаптирован для метрологических задач. В 1960 году на его основе было определено новое определение метра через длину волны излучения криптона-86. В 1983 году метр был переопределён через скорость света, но интерферометры Майкельсона продолжают использоваться в прецизионных измерениях, в том числе в гравитационно-волновой астрономии (например, в детекторах LIGO).

Устройство и принцип работы

Основные компоненты

Интерферометр Майкельсона состоит из следующих ключевых элементов:

• Источник света — обычно монохроматический (лазер, натриевая лампа) или квазимонохроматический.
• Светоделитель — полупрозрачное зеркало, разделяющее падающий пучок на два: отражённый и прошедший.
• Два плоских зеркала — одно подвижное (обычно на микрометрическом винте), другое неподвижное.
• Компенсационная пластинка — пластина из того же материала, что и светоделитель, устанавливаемая на пути одного из лучей для выравнивания оптических путей в стекле.
• Экран или детектор — для наблюдения или регистрации интерференционной картины.

Принцип действия

Свет от источника падает на светоделитель, который делит его на два луча:

1. Луч, отражённый от светоделителя, направляется к подвижному зеркалу.
2. Луч, прошедший через светоделитель, направляется к неподвижному зеркалу.

Оба луча отражаются от своих зеркал, возвращаются к светоделителю и объединяются, после чего попадают на экран. Разность хода между лучами определяется разностью расстояний от светоделителя до каждого из зеркал. При изменении положения подвижного зеркала разность хода меняется, что приводит к изменению интерференционной картины: чередованию светлых и тёмных полос (максимумов и минимумов интенсивности).

Условия интерференции

Для наблюдения устойчивой интерференции необходимо, чтобы лучи были когерентны. В интерферометре Майкельсона когерентность обеспечивается разделением одного и того же пучка. Интерференционная картина представляет собой концентрические кольца (полосы равного наклона) или прямые полосы (полосы равной толщины) в зависимости от юстировки зеркал.

Классификация

По типу источника

• С монохроматическим источником — используется для точных измерений длин волн.
• С белым светом — применяется для определения нулевой разности хода, так как в этом случае интерференция наблюдается только при равенстве оптических путей.

По конструкции

• Классический — с плоскими зеркалами.
• С уголковыми отражателями — вместо плоских зеркал используются уголковые призмы, что повышает устойчивость к вибрациям (например, в детекторах LIGO).

Применение

Фундаментальная физика

• Проверка специальной теории относительности — эксперимент Майкельсона — Морли и его последующие модификации (например, эксперименты Кеннеди — Торндайка).
• Поиск гравитационных волн — интерферометры Майкельсона с многокилометровыми плечами (LIGO, Virgo) регистрируют изменения длины, вызванные прохождением гравитационных волн. В 2015 году LIGO впервые зафиксировал гравитационные волны от слияния чёрных дыр.

Метрология

• Измерение длины волн — интерферометр Майкельсона используется для калибровки спектральных линий.
• Определение показателя преломления — путём введения образца в одно из плеч.
• Измерение малых перемещений — с точностью до долей длины волны (например, в нанометрологии).

Промышленность и техника

• Контроль качества оптических поверхностей — интерферометры применяются для проверки плоскостности зеркал и линз.
• Фурье-спектроскопия — интерферометр Майкельсона является основой спектрометров, используемых для анализа состава веществ.
• Лазерная интерферометрия — в системах позиционирования и стабилизации (например, в литографических машинах).

Интересные факты

• Альберт Майкельсон получил Нобелевскую премию по физике в 1907 году за создание точных оптических приборов и выполненные с их помощью спектроскопические и метрологические исследования.
• В эксперименте Майкельсона — Морли 1887 года прибор был способен обнаружить сдвиг интерференционных полос на 0,01 полосы, что соответствовало точности измерения скорости света до 1 км/с.
• Современные гравитационно-волновые детекторы LIGO представляют собой интерферометры Майкельсона с плечами длиной 4 км, в которых используются многократные отражения для увеличения эффективной длины пути до 1600 км.

Источники

• Michelson, A. A. (1881). «The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether». American Journal of Science.
• Michelson, A. A.; Morley, E. W. (1887). «On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether». American Journal of Science.
• Борн, М.; Вольф, Э. (1973). «Основы оптики». М.: Наука.
• Ландсберг, Г. С. (1976). «Оптика». М.: Наука.
• Abbott, B. P. et al. (2016). «Observation of Gravitational Waves from a Binary Black Hole Merger». Physical Review Letters.