Mišelsona–Morlija eksperiments: ētera meklējumi ar interferometru

Mišelsona–Morlija eksperiments (1887): interferometra tests, kas atspēkoja ētera eksistenci un revolucionizēja gaismas un relativitātes izpratni.

Mišelsona-Morlija eksperiments bija zinātnisks eksperiments, kura mērķis bija noskaidrot vielas, ko sauca par ēteri - vielu, kas, kā uzskatīja, aizpilda tukšo telpu -, klātbūtni un īpašības. Eksperimentu 1887. gadā veica Alberts A. Mišelsons un Edvards Morlijs.

Tā kā viļņiem ūdenī ir nepieciešams kaut kas, lai tie varētu kustēties (ūdens), un skaņas viļņiem arī (gaiss), tika uzskatīts, ka arī gaismai ir nepieciešams kaut kas, lai tā varētu kustēties. Zinātnieki 18. gadsimtā šo vielu nosauca par "ēteri" grieķu gaismas dieva vārdā. Viņi uzskatīja, ka ēters ir visapkārt mums un ka tas aizpilda arī kosmosa vakuumu. Mišelsons un Morlijs veica šo eksperimentu, lai mēģinātu pierādīt teoriju par ētera eksistenci. Viņi to veica ar ierīci, ko sauca par interferometru.

Eksperimenta princips

Ideja bija vienkārša: ja pastāv ēters, tad Zeme, kursējot caur šo ētera «vējā», attiecībā pret to kustētos ar kādu ātrumu. Gaismas ātrums attiecībā pret ēteri būtu atkarīgs no gaismas un šķērsojamā virziena savstarpējās kustības, līdzīgi kā vēja ietekme uz laivu. Izmantojot interferometru, bija iespējams sadalīt gaismas staru divās perpendikulārās krājās, pēc tam atkal tos apvienot un novērot interferenču joslu (frinžu) pārvietošanos. Ja viens stars ceļotu pretējā vai paralēlā virzienā ar ētera «vēju», tad ceļojuma laiku starp diviem stariem vajadzētu atšķirties un tas radītu izmērāmu frinžu nobīdi.

Ierīce un eksperimenta gaita

Interferometrā izmantoja spoguļus, dalītāju (beam splitter) un novērošanas okulāru. Galvenie soļi bija:

• sadaldīt viena koherentā gaismas staru divos stūros, kas virzās perpendikulāros kursos;
• atspoguļot starus atpakaļ un tos apvienot, lai iegūtu interferenču joslu rakstu;
• pagriezt visu ierīci par 90° un salīdzināt frinžu stāvokli vai novērot frinžu maiņu, kas būtu sagaidāma, ja pastāvētu ētera plūsma;
• atkārtot mērījumus vairākos laika brīžos, lai ņemtu vērā Zemes kustību ap Sauli.

Sagaidītais efekts balstījās uz klasisko mehānisku pieņēmumu, ka gaismas ātrums būtu additīvs attiecībā pret ētera atskaites sistēmu. Aprēķini rādīja, ka frinžu nobīde būtu pietiekami liela, lai to varētu izmērīt ar pieejamajiem instrumentiem 19. gadsimtā.

Rezultāts

Mišelsons un Morlijs novēroja praktiski nulles frinžu nobīdi — novērotā nobīde bija daudz mazāka par to, ko paredzētu ētera hipoteze. Citiem vārdiem sakot, mēraājumi neatbalstīja vienkāršu ideju par pastāvīgu ēteri, caur kuru Zeme kustētos, radot viegli izmērāmu «vēju» efektu.

Secinājumi un nozīme

Mišelsona–Morlija nulles rezultāts izraisīja būtiskas pārdomas fizikas kopienā. Lai saprastu šo neatbilstību, tika izvirzītas vairākas teorijas, piem., FitzGeralda–Lorenca kontrakcijas hipotēze (objekti saīsinās kustības virzienā), kas uzturēja ētera koncepciju, bet modificēja tās sekas. Vēlāk, ar Albertu Einšteinu 1905. gadā publicēto speciālo relativitāti, kļuva skaidrs, ka gaismas ātrums vakuumā ir konstants visās eņģu inerciālajās sistēmās un nav nepieciešams ievietot īpašu «ēteri», lai izskaidrotu optiskos fenomenus. Tādējādi Mišelsona–Morlija eksperiments kļuva par vienu no svarīgākajiem vēsturiskiem eksperimentiem, kas veda pie mūsdienu teorijas par telpu un laiku.

Nākotnes mērījumi un atkārtotie eksperimenti

Pēc 1887. gada eksperiments tika atkārtots un uzlabots — gan ar angļu, gan amerikāņu zinātnieku centieniem, gan ar modernākiem ierīcēm (stabilākiem interferometriem, lāzeriem un optiskajiem resonatoriem). Mūsdienās ļoti precīzi mērījumi (piemēram, ar lāzera interferometru un optiskajām frekvences reģistrācijas metodēm) apstiprina gaismas ātruma invarianci un nemaina sākotnējo secinājumu par klasiskā ētera nepieciešamību.

Kopsavilkums

• Mišelsona–Morlija eksperiments (1887) bija vērsts uz ētera meklēšanu, izmantojot interferometru.
• Sagaidītā frinžu nobīde, kas būtu pierādījusi Zemes kustību attiecībā pret ēteri, netika novērota.
• Rezultāts būtiski ietekmēja fizikas attīstību un bija viens no faktoriem, kas veicināja speciālās relativitātes teorijas pieņemšanu.

Eksperiments

Zeme ap Sauli aplido ļoti ātri (vairāk nekā 100 000 km stundā). Ja pastāv ēters, tad Zeme, pārvietojoties caur to, radītu "vēju" tādā pašā veidā, kā šķiet, ka vējš ir ārpus kustīgas automašīnas. Cilvēkam, kas atrodas automašīnā, gaiss ārpus automašīnas šķistu kā kustīga viela. Tādā pašā veidā ēterim uz Zemes vajadzētu šķist kā kustīgai vielai.

Interferometrs tika izstrādāts, lai mērītu "ētera vēja" ātrumu un virzienu, mērot atšķirību starp gaismas ātrumu, kas pārvietojas dažādos virzienos. Šo starpību mērīja, izstarojot gaismas staru spulgu spogulī, kas tikai daļēji bija pārklāts ar sudrabu. Daļa staru tiktu atstarota vienā virzienā, bet pārējais virzītos uz otru pusi. Pēc tam abas šīs daļas atstaroties atgriezās atpakaļ, kur tās tika sadalītas un atkal apvienotas. Aplūkojot interferences modeļus rekombinētajā gaismas kūlī, varētu redzēt jebkādas ātruma izmaiņas ētera vēja dēļ.

Viņi konstatēja, ka patiesībā starp mērījumiem nav būtisku atšķirību. Tas tolaik zinātnieku aprindās izraisīja neizpratni, un tika radītas dažādas jaunas teorijas, lai izskaidrotu šo rezultātu. Svarīgākā no tām bija Lorenca koeficients, kas izmantots Alberta Einšteina speciālajā relativitātes teorijā.

Mišelsona interferometrā izmanto to pašu principu, ko oriģinālajā eksperimentā. Taču tajā kā gaismas avots tiek izmantots lāzers.

Jautājumi un atbildes

J: Kāds bija Mišelsona un Morlija eksperimenta mērķis?

J: Kas ir ēters?

J: Kad tika veikts Mišelsona un Morlija eksperiments?

J: Ko parādīja Mišelsona-Morlija eksperiments?

J: Ko 18. gadsimta zinātnieki uzskatīja par ēteri?

J: Ko Mišelsons un Morlijs izmantoja, lai veiktu savu eksperimentu?

J: Ko pārbaudīja Mišelsona un Morlija eksperiments?

Meklēt pēc burta