↻ Поверните телефон горизонтально — так эксперимент крупнее
Методичка · как это работает
Майкельсон–Морли
Прибор искал «эфирный ветер», а нашёл его полное отсутствие.
Что происходит
Луч света расщепляется надвое, проходит два перпендикулярных плеча одинаковой длины и снова сводится вместе, давая интерференционные полосы. Если Земля летит сквозь неподвижный эфир, при повороте прибора время хода по плечам должно измениться, и полосы обязаны сдвинуться. В опыте 1887 года сдвига не было.
Как это работает
Свет от источника падает на полупрозрачный светоделитель: половина идёт к зеркалу М1, половина — к зеркалу М2. Отразившись, лучи возвращаются и складываются на экране. Крошечная разница в длине пути (доли λ) превращается в видимый сдвиг тёмных и светлых полос.
Теория эфира предсказывала: при повороте прибора на 90° плечи меняются ролями относительно «ветра», и картина должна проползти на ΔN ≈ 0,4 полосы. Но экран показал ноль: полосы стояли на месте при любом угле поворота.
Объяснение дала СТО: скорость света одинакова во всех направлениях, эфира нет, а движение наблюдателя не влияет на ход луча. Нулевой результат оказался не провалом, а ключевым экспериментальным фактом новой физики.
Формулы
ΔN = (2L ⁄ λ) · (v² ⁄ c²)
Ожидаемый сдвиг полос при повороте на 90°: L — длина плеча, v — скорость сквозь эфир, c — скорость света.
δ(θ) = ΔN · sin²θ
Как менялся бы сдвиг при повороте прибора на угол θ, если бы эфир существовал.
δнабл = 0
Реально наблюдаемый сдвиг — нулевой при любой ориентации; это и опровергло эфир.
График
Теория «эфира» ждала сдвиг до ~0,4 полосы при повороте прибора; опыт дал практически НОЛЬ.
Пример расчёта
Плечо интерферометра L = 11 м, длина волны света λ = 550 нм = 5,5·10⁻⁷ м. Земля движется сквозь предполагаемый эфир со скоростью v = 30 км⁄с = 3·10⁴ м⁄с, скорость света c = 3·10⁸ м⁄с. Найдите ожидаемый сдвиг полос ΔN при повороте прибора на 90° и сравните с реально наблюдавшимся сдвигом.
Наблюдаемый сдвиг в опыте 1887 г. был неотличим от нуля: δнабл ≈ 0,00 при любом угле поворота.
Ответ: Теория эфира требовала сдвига около 0,40 полосы, а прибор показал 0,00. Этот нулевой результат опроверг гипотезу эфирного ветра и стал опорой специальной теории относительности.
Историческая справка
Альберт Майкельсон и Эдвард Морли поставили опыт в 1887 году, доведя точность интерферометра до сотых долей полосы. Ожидавшийся сдвиг от «эфирного ветра» не обнаружился — это стал самый знаменитый «отрицательный» результат в физике. Он лёг в основу специальной теории относительности Эйнштейна (1905).
На уроке
Переключайте «Ожидание: эфир есть» и «Реальность: опыт»: в первом режиме полосы ползут при повороте, во втором стоят намертво — сравните с наблюдаемым сдвигом 0,00.
Двигайте «Поворот прибора» от 0° до 90° и следите за метками на полосах: в режиме эфира максимум смещается по sin²θ, в режиме опыта — нет.
Меняйте «Эфирный ветер v»: ожидаемый ΔN растёт как v², но панель «наблюдаемый сдвиг» упрямо держит 0,00 — в этом суть эксперимента.
Проверь себя
Задача 1. Ползунок «Эфирный ветер v» сдвинули с 30 до 60 км⁄с. Во сколько раз вырастет ожидаемый ΔN и чему он станет равен?
ΔN ∝ v², поэтому при удвоении v он вырастет в 4 раза: с 0,40 до 0,40·4 = 1,60 полосы. Но панель «наблюдаемый сдвиг» всё равно держит 0,00.
Задача 2. В режиме «Ожидание: эфир есть» вы плавно поворачиваете прибор от 0° до 90°. По какому закону меняется сдвиг и где он максимален?
По δ(θ) = ΔN·sin²θ. При θ = 0° сдвиг 0, при θ = 45° равен половине (0,40·0,5 = 0,20 полосы), при θ = 90° — максимум ΔN = 0,40 полосы.
Задача 3. Почему переключение в режим «Реальность: опыт» оставляет полосы неподвижными при любом угле?
Скорость света одинакова во всех направлениях, эфира нет, и движение наблюдателя не меняет ход луча. Разности хода не возникает, поэтому δнабл = 0 независимо от θ и v.