Физика пространства - времени

д) В своём знаменитом опыте Майкельсон и Морли пытались обнаружить так называемый эфирный ветер — эффект движения Земли относительно эфира, причём в этом последнем свет, как считалось, распространяется со скоростью c. Они произвели сравнение интервалов времени, за которые свет проходит замкнутые пути («туда и обратно») параллельно направлению движения Земли вокруг Солнца и перпендикулярно этому направлению. В их опыте свет многократно отражался между почти параллельными зеркалами [что соответствовало многократным полётам самолётов взад и вперёд в примере (в)]. Таким способом удалось добиться, чтобы полная длина замкнутого пути распространения света составила 22 м. Если эфир неподвижен относительно Солнца, а Земля движется по своей орбите со скоростью 30·10^3 м/сек, то чему будет приблизительно равна разница во времени возвращения световых импульсов, испущенных одновременно, но распространявшихся по двум взаимно перпендикулярным путям? Эта разница оказывается недоступной прямому измерению ввиду своей малости даже для современных приборов, и поэтому предсказания гипотезы эфирного ветра проверялись с помощью следующего косвенного метода.

Рис. 48. Схема интерферометра Майкельсона — Морли, установленного на вращающейся мраморной плите.

е) Конструкция собственно интерферометра Майкельсона — Морли схематически представлена на рис. 48. Почти монохроматический свет (содержащий лишь одну частоту) входит в прибор через линзу a. Часть его отражается полупрозрачным посеребрённым зеркалом b, а часть продолжает распространяться до зеркала d. Оба получившихся луча многократно отражаются взад и вперёд, пока они не доходят соответственно до зеркал e и e, которые направляют их назад, и оба луча в конце концов снова попадают на зеркало b. На этом последнем зеркале часть каждого луча вместе с частью другого, объединяясь, направляется в телескоп f. Прозрачная стеклянная пластина c, размеры которой совпадают с размерами полупрозрачного зеркала b, включена для того, чтобы каждый луч прошёл одно и то же число раз (а именно три) сквозь данную толщу стекла на своём пути к телескопу f.

Предположим, что длины взаимно перпендикулярных путей в точности одинаковы, а вся установка покоится относительно эфира. Тогда монохроматический свет, разделённый зеркалом b на два луча, при некоторой разности фаз между ними вернётся к зеркалу b с той же самой разностью фаз. В этом случае световые волны, входящие в телескоп f, будут складываться, и поле зрения мы увидим ярко освещённым. Если бы, напротив, один из лучей отстал во времени на величину, соответствующую половине периода колебаний этого света, то он пришёл бы вновь к зеркалу b на эти полпериода позже другого луча; волны, входящие в телескоп, вычитались бы друг из друга, и поле зрения оказалось бы тёмным. Если бы относительное запаздывание луча составило целый период, то поле зрения в телескопе снова было бы ярко освещено, и так далее. Чему равен промежуток времени, соответствующий одному периоду колебаний световой волны? Майкельсон и Морли пользовались спектральной линией натрия с длиной волны 5890 ангстрем (A) (A=10^1 м). Ввиду равенств =c и =1/T видно, что период для этой спектральной линии натрия равен примерно 2·10^1 сек.

Но ведь невозможно «выключить» предполагаемый эфирный ветер, отъюстировать установку и после этого вновь «включить» этот эфирный ветер. Вместо этого Майкельсон и Морли пустили свой интерферометр плавать в бассейне, наполненном ртутью, и медленно вращали его вокруг центра, как грампластинку, непрерывно наблюдая яркость поля зрения телескопа (рис. 48). В этом случае, если свет на каком-то пути тратит больше времени при некоторой данной ориентации установки, то при её повороте на 90° такой же задержке во времени подвергнется свет, идущий по другому пути. Значит, полное изменение запаздывания света, когда он распространяется по двум разным путям, должно быть при повороте интерферометра вдвое больше того, что мы вычислили бы с помощью формулы в примере (в).

Усовершенствовав свой метод, Майкельсон и Морли сумели доказать, что изменение времени распространения света по двум путям при повороте установки соответствовало менее чем ^1/ сдвига от одного потемнения поля зрения телескопа до следующего потемнения. Покажите, что этот вывод свидетельствует о том, что движение эфира у поверхности Земли (если оно вообще имеет место) происходит со скоростью менее ^1/ скорости движения Земли по её орбите. Для того чтобы исключить возможность такого совпадения, что в этот момент эфир «дул» относительно Солнца с той же скоростью, с какой движется по своей орбите Земля, они повторяли свой опыт каждые три месяца — и каждый раз с отрицательным результатом.