Опыт Майкельсона — Морли

Опыт Майкельсона — Морли — это физический эксперимент, поставленный в 1887 году американскими учёными Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли с целью обнаружения движения Земли относительно неподвижного «светоносного эфира» — гипотетической среды, в которой, по представлениям физики XIX века, распространяются электромагнитные волны. Опыт дал нулевой результат, что опровергло существование эфирного ветра и стало одним из решающих экспериментальных оснований для создания специальной теории относительности Альберта Эйнштейна.

Предыстория и теоретические основы

В XIX веке в физике господствовала волновая теория света. Согласно ей, свет — это поперечные волны, которые, как и любые другие волны (например, звук), должны распространяться в некоторой среде. Эту гипотетическую среду назвали эфиром. Предполагалось, что эфир заполняет всё пространство, включая вакуум, и является абсолютно неподвижным. Земля, двигаясь по орбите вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с, должна была, по мнению учёных, «пронизывать» эфир, создавая так называемый эфирный ветер. Скорость этого ветра относительно Земли должна была зависеть от направления движения планеты.

Для обнаружения эфирного ветра требовалось измерить скорость света в разных направлениях. Если эфир неподвижен, то скорость света, измеренная вдоль направления движения Земли, должна отличаться от скорости света, измеренной поперёк этого направления, на величину, пропорциональную скорости Земли относительно эфира. Разница ожидалась крайне малой — порядка 10⁻⁸ от скорости света. Однако к 1880-м годам техника интерферометрии, разработанная Альбертом Майкельсоном, позволяла измерять такие малые изменения.

Устройство интерферометра Майкельсона

Основным инструментом опыта стал интерферометр Майкельсона — оптический прибор, способный регистрировать чрезвычайно малые изменения разности хода световых лучей. Принцип его работы основан на интерференции света.

Устройство состояло из следующих ключевых элементов:

• Источник света: монохроматический источник (в опыте 1887 года использовалась керосиновая лампа, свет которой пропускался через жёлтый светофильтр).
• Полупрозрачное зеркало (светоделитель): расположено под углом 45° к падающему лучу. Оно делит луч на два: один проходит насквозь, другой отражается под прямым углом.
• Два плоских зеркала: расположены на одинаковом расстоянии от светоделителя, одно — вдоль предполагаемого направления движения Земли (плечо «вперёд-назад»), другое — перпендикулярно ему (плечо «поперёк»).
• Зрительная труба или экран: для наблюдения интерференционной картины.

Луч от источника попадает на светоделитель, разделяется на два луча. Каждый из них проходит путь до своего зеркала, отражается от него, возвращается к светоделителю, где лучи вновь соединяются и попадают в зрительную трубу. Из-за разности хода лучей на экране возникает интерференционная картина — чередование светлых и тёмных полос. Если скорость света в одном из плеч изменится (из-за эфирного ветра), то изменится и разность хода, что приведёт к смещению интерференционных полос.

Ход эксперимента

Первый опыт (1881 год)

Первая попытка была предпринята Майкельсоном в 1881 году в Потсдаме (Германия). Прибор был установлен на каменной плите, плавающей в ртути для гашения вибраций. Результат оказался нулевым: смещение полос не превышало погрешности измерений. Однако оппоненты указали на возможные ошибки в расчётах и конструкции прибора. Майкельсон решил повторить эксперимент с более точным оборудованием, пригласив к сотрудничеству Эдварда Морли.

Опыт 1887 года

В 1887 году Майкельсон и Морли установили усовершенствованный интерферометр в подвале здания Кейсовской школы прикладных наук (Case School of Applied Science) в Кливленде (штат Огайо, США). Основные усовершенствования:

• Прибор был смонтирован на массивной каменной плите (размером около 1,5 м × 1,5 м × 0,3 м, массой около 1 тонны), которая плавала в кольцевом сосуде с ртутью. Это позволяло плавно поворачивать всю установку без остановки и без изменения взаимного расположения деталей.
• Длина плеч интерферометра была увеличена до 11 метров (за счёт многократного отражения света между зеркалами, фактическая длина пути света составляла около 11 м в каждом плече). Это повышало чувствительность прибора.
• Для повышения точности наблюдения интерференционной картины использовалась зрительная труба с микрометром.

Эксперимент проводился в разное время суток и в разные сезоны года (чтобы учесть изменение скорости Земли относительно эфира из-за орбитального движения). Прибор поворачивали на 90°, и ожидалось, что при повороте интерференционные полосы сместятся на величину, соответствующую разности скоростей света в двух плечах. Однако наблюдаемое смещение было в 20–40 раз меньше ожидаемого и находилось в пределах погрешности измерений. Результат был признан нулевым.

Результаты и их интерпретация

Нулевой результат

Опыт Майкельсона — Морли показал, что скорость света не зависит от направления движения Земли. Это означало, что либо эфир полностью увлекается Землёй (гипотеза полного увлечения эфира), либо эфира не существует, либо скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчёта. Первая гипотеза (эфир увлекается) противоречила другим экспериментам, в частности, наблюдениям аберрации света звёзд, выполненным Джеймсом Брэдли в 1728 году.

Попытки объяснить результат

В конце XIX — начале XX века было предпринято несколько попыток объяснить нулевой результат, не отказываясь от эфира:

• Гипотеза сокращения длины (Лоренц — Фитцджеральд): Джордж Фитцджеральд и Хендрик Лоренц независимо предположили, что движущееся относительно эфира тело сокращается в направлении движения (лоренцево сокращение). Это сокращение длины плеча интерферометра, направленного вдоль движения, должно было в точности компенсировать ожидаемую разность хода лучей. Однако эта гипотеза была ad hoc и не имела физического обоснования.
• Гипотеза полного увлечения эфира: предполагала, что эфир движется вместе с Землёй, но она опровергалась опытами Физо и наблюдениями аберрации.
• Гипотеза стационарного эфира: не подтверждалась экспериментом.

Влияние на развитие физики

Нулевой результат опыта Майкельсона — Морли стал серьёзным кризисом для классической физики. Он показал, что представления об абсолютном пространстве и неподвижном эфире не соответствуют экспериментальным данным. В 1905 году Альберт Эйнштейн в своей работе «К электродинамике движущихся тел» предложил специальную теорию относительности, которая постулировала, что скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчёта и не зависит от движения источника или наблюдателя. Эйнштейн отказался от понятия эфира как механической среды, хотя позже в общей теории относительности он вернулся к идее эфира как поля. Опыт Майкельсона — Морли часто называют «самым знаменитым нулевым результатом в истории физики».

Последующие эксперименты и уточнения

После 1887 года опыт неоднократно повторялся с возрастающей точностью:

• Морли и Миллер (1902–1905): повторили опыт на более высоком уровне, но снова получили нулевой результат.
• Дейтон Миллер (1920-е годы): утверждал, что обнаружил небольшой положительный эффект (эфирный ветер), но его результаты были опровергнуты более точными экспериментами других учёных, в том числе Роем Кеннеди (1926) и Кентом Иллингвортом (1927).
• Современные эксперименты: с использованием лазеров и резонаторов (например, эксперименты с мазером на аммиаке, опыты с кольцевыми лазерами) подтвердили, что анизотропия скорости света отсутствует с точностью до 10⁻¹⁷. Эти эксперименты также являются проверкой принципа относительности.

Значение для науки

Опыт Майкельсона — Морли сыграл ключевую роль в становлении современной физики. Он:

• Опроверг гипотезу о существовании механического эфира.
• Стал экспериментальной основой для специальной теории относительности.
• Стимулировал развитие новых математических методов (преобразования Лоренца).
• Показал, что скорость света является фундаментальной константой, не зависящей от выбора инерциальной системы отсчёта.
• В 1907 году Альберт Майкельсон стал первым американцем, получившим Нобелевскую премию по физике «за создание точных оптических инструментов и выполненные с их помощью спектроскопические и метрологические исследования».

Источники

• Майкельсон А. А., Морли Э. У. «Об относительном движении Земли и светоносного эфира» (1887) — оригинальная статья.
• Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. «Фейнмановские лекции по физике», том 1, глава 15.
• Эйнштейн А. «К электродинамике движущихся тел» (1905).
• Уиттекер Э. «История теорий эфира и электричества», том 1.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Теоретическая физика», том 2: «Теория поля».