VII.5. Eksperyment Michelsona-Morleya.

Transkrypt

1 Janusz. Kępka Ruch absoluny i względny VII.5. Eksperymen Michelsona-Morleya. Zauważmy że pomiar ruchu absolunego jakiegokolwiek obieku maerialnego z założenia musi odnosić się do prędkości fali świelnej w eerze ponieważ naszą jedyną informacją o ewenualnym isnieniu eeru są właśnie fale eeru. Dlaego wyznaczenie warości liczbowej ilorazu v/c jes równoważne wyznaczeniu warości absolunej v jeżeli warość prędkości c świała jes znana z innych pomiarów. Dosyć dokładne pomiary warości c bez uciekania się do obserwacji asronomicznych pierwsi wykonali w warunkach laboraoryjnych: w roku 1849 rmand Hippolye Fizeau (meoda koła zębaego) oraz w roku 1868 Jean ernard Foucaul (meoda wirującego zwierciadła). W ej syuacji znając warość c można wykorzysać eksperymeny Roemera oraz radleya do wyznaczenia prędkości absolunej (względnej) Ziemi. Jednak będą o wyniki opare na obserwacjach asronomicznych w kórych do wyznaczenia prędkości względnej Ziemi wykorzysywane jes pozaziemskie źródło świała o sosunkowo dobrze określonym położeniu na sferze niebieskiej. Naomias gdybyśmy podjęli próbę wyznaczenia warości v/c w warunkach ziemskich (laboraoryjnych) o obserwaor i źródło świała poruszają się jednocześnie i z jednakową prędkością w eerze. Może o uniemożliwić wyznaczenie warości a ym samym uniemożliwić wykrycie i pomiar ruchu absolunego. Przeszło so la emu lber braham Michelson 1 orzekł że możliwy jes w warunkach laboraoryjnych pomiar ruchu absolunego Ziemi a o za pomocą przez niego skonsruowanego inerferomeru. Pierwsze pomiary słynne później pod ogólną nazwą doświadczenia Michelsona-Morleya (Edward Williams Morley ) zosały wykonane po roku 1880 (.. Michelson E.W. Morley merican Journal of Science (1887). Schema konsrukcji oraz zasada działania inerferomeru..michelsona zosały przedsawione na rys. VII.5.1. Zaznaczamy że jes o opis zaczerpnięy z zw. lieraury przedmiou. Inerferomer składa się z monochromaycznego źródła świała S półprzepuszczalnej płyki P oraz dwóch zwierciadeł i usawionych w równych odległościach P P l od miejsca padania wiązki świała na płykę P. Na usawioną pod kąem 45 o płykę P pada wiązka świała ze źródła S kóra ulega rozszczepieniu na dwie wiązki biegnące wzajemnie prosopadle do zwierciadeł i. Po odbiciu się od i wiązki e wracają do płyki P gdzie ponownie ulegają rozszczepieniu i część wraca do źródła S a pozosała część biegnie razem do eleskopu T. Na drodze PT obydwie wiązki inerferują ze sobą a obraz inerferencyjny oglądany jes w głównej płaszczyźnie ogniskowej eleskopu T fizyk amerykański urodzony w Srzelnie Prusy. Sudiował w erlinie Heidelbergu i Paryżu. ył profesorem fizyki w Clark Universiy (1889-9) i później dyrekorem wydziału fizyki Uniwersyeu w Chicago ( ).. W 1907 r. Nagroda Nobla. Jego badania eksperymenalne doyczące.zw. unoszenia eeru przyczyniły się do rozwinięcia szczególnej eorii względności przez lbera Einseina. uor książek: Velociy of ligh (190) Ligh Waves and heir Uses (1903) Sudies in Opics (197).

2 Janusz. Kępka Ruch absoluny i względny Fig. VII.5.1. Inerferomer..Michelsona. W ogólności inerferencja zachodzi gdy różnica przebyych dróg wynosi: gdzie: λ długość fali świała monochromaycznego. k λ (k n) (VII.5.1.) Wobec ego dla nierównych długości ramion l a oraz l b inerferomeru różnica dróg przebyych przez świało w ych ramionach jes aka że: (l a l b ) cos φ k λ gdzie φ jes kąem padania (od normalnej) promieni świała na zwierciadło. Powyższy opis odnosi się do inerferomeru z założenia nieruchomego względem eeru. Obecnie załóżmy że inerferomer porusza się ze sałą względną prędkością v jak o pokazano na rys. VII.5.. Rozparzmy bieg wiązki świała w ramieniu P inerferomeru. Ze względu na ruch przyrządu świało nie odbije się od płyki P pod kąem 45 o lecz ulegnie odchyleniu o ką φ aki że: v o sin φ ( δ 90 ) c Promień świała odchylany jes w kierunku ruchu przyrządu a więc ma dłuższą drogę w eerze do zwierciadła i do kórego dobiega w miejscu. Oczywiście względem eeru prędkość świała wzdłuż drogi P wynosi c naomias wzdłuż ramienia P przyrządu świało ma prędkość c. Z rójkąa P znajdujemy: c' c 1

3 Janusz. Kępka Ruch absoluny i względny Fig. VII.5.. ieg wiązek świała w inerferomerze Michelsona w czasie ruchu z prędkością v. Gdyby przyrząd był nieruchomy o odległość l P świało przebyłoby z prędkością c w czasie akim że: l c. Ponieważ przyrząd porusza się z prędkością v o prędkość świała względem ramienia P wynosi c a odległość l świało przebywa w czasie. Jes więc: skąd orzymujemy: l c c c Wobec ego czas przebycia przez świało w eerze odległości P P z prędkością c a akże odległości l P względem inerferomeru z prędkością c wynosi: le w czasie świało przebywa w eerze odległość L c i wobec ego mamy: L c Obecnie rozparzmy bieg wiązki świała w ramieniu P. Świało biegnąc od płyki P dogania zwierciadło po czasie. Prędkość świała względem zwierciadła wynosi (c v). Wobec ego mamy: z powyższego: c ( ) l c c v

4 Janusz. Kępka Ruch absoluny i względny Po odbiciu się od zwierciadła świało biegnie naprzeciwko płyki P do kórej dobiega po czasie. Obecnie prędkość świała względem płyki wynosi (c + v). Mamy więc: skąd znajdujemy: l c ( c v) Wobec ego łączny czas przebycia drogi o and fro w ramieniu P wynosi: + a droga przebya w ym czasie przez świało w eerze z prędkością c jes równa: L (VII.5..) c c (VII.5.3.) Jak z powyższego widać świało przebywa w eerze w różnych czasach oraz odpowiednio różne odległości L oraz L. Różnice ych czasów i odległości wynoszą: (VII.5.4.) oraz L L L l (VII.5.5.) Jeżeli cały przyrząd obrócimy o 90 o ak by kierunek P pokrywał się z poprzednim kierunkiem P wówczas promień zmienia kierunek względem kierunku ruchu Ziemi i znak przy różnicy czasów oraz odległości zmieni się na odwrony. Dzięki emu obró przyrządu powinien prowadzić do zmiany różnicy czasów i odległości o podwójną warość różnic przedsawionych przez zależności (VII.5.4) oraz (VII.5.5.) (parz m.in.: S. Frisz i. Timoriewa - Kurs fizyki łum. z ros. PWN Warszawa 1959 Tom III sr.9). W doświadczeniu Michelsona-Morleya długość poszczególnych ramion inerferomeru wynosiła: l P P 11 m długość fali: λ 0589 µm. Przyjmując: v 30 km/s oraz c km/s o wielkość oczekiwanego przesunięcia obrazu inerferencyjnego oceniona zosała na: λ 037 długości fali. Według..Michelsona dokładność przyrządu pozwalała na rejesrację przesunięć o kilka senych części długości fali użyego świała monochromaycznego. Jednak w ym oraz w wielu innych podobnych doświadczeniach nie zaobserwowano żadnego dającego się zmierzyć przesunięcia prążków inerferencyjnych!

5 Janusz. Kępka Ruch absoluny i względny Można jednak było zaobserwować ylko niewielką zmianę inensywności (jasności) prążków inerferencyjnych. Doświadczenia powarzano wielokronie w różnych porach roku i w różnych miejscach na kuli ziemskiej ale zawsze z jednakowo negaywnym wynikiem! Nieoczekiwanie negaywne wyniki doświadczeń Michelsona-Morleya soją w wyraźnej sprzeczności z wynikami innych eksperymenów oparych na efekcie Dopplera. Wywołało o obszerne i czasami bardzo gwałowne dyskusje naukowe oraz dało impuls do przeprowadzenia eksperymenów ze zmodyfikowanym inerferomerem.. Michelsona. Zauważmy że powyższe szacowania oczekiwanych wyników eksperymenów odnoszą się do ruchu orbialnego Ziemi a nie do ruchu w Kosmosie układu planearnego jako całości. Jes o zw. błąd w szuce. W powyższym zaware jes założenie że Słońce jes absolunie nieruchome w Kosmosie. o nie jes prawda. Uwaga: według zależności (X.7.8.) prędkość w Kosmosie układu planearnego jako całości można szacować na ok km/s. Jes o prędkość ponad so pięćdziesią razy większa od prędkości orbialnej Ziemi. Przesunięcie prążków inerferencyjnych powinno wynosić: 037 x długości fali! Tym samym ak w eksperymencie M-M jak i dalej opisanych eksperymenach nie powinno być żadnych problemów echnicznych z wykryciem ruchu absolunego Ziemi. o oznacza że problem kwi nie w echnice pomiaru lecz w meodzie eksperymenu!