Опыт Майкельсона

Это один из самых замечательных экспериментов в истории физики. После того как в начале XIX в. была доказана волновая природа света, а к концу столетия установлен факт распространения в пространстве электромагнитных волн, все физики были убеждены в реальности эфира — упругой среды, в которой и распространяются электромагнитные колебания. Правда, эфир пришлось наделить очень необычными свойствами. С одной стороны, он должен был обладать качествами идеально твердого упругого тела (это следовало из законов распространения электромагнитных волн), с другой — эфир должен был быть идеально разрежен и проницаем (иначе он неминуемо мешал бы движению небесных тел, а тогда не выполнялись бы законы тяготения). Над этими парадоксами эфира размышляли крупнейшие ученые, но тем не менее представить себе распространение поперечных электромагнитных волн вне какой-то реальной упругой среды не мог никто.

К концу XIX в. общее мнение было таково. Существует загадочная всепроникающая среда, в которой свободно «плавают» все тела — планеты, звезды и т. д. Для того чтобы объяснить целую серию экспериментов (и в первую очередь аберрацию света), пришлось предположить, что при движении тела не увлекают эфир, он остается в абсолютном покое. Иными словами, все движения массивных тел сквозь неподвижный эфир совершаются как бы с полным отсутствием трения.

Согласно гипотезе неподвижного эфира, можно наблюдать «эфирный ветер» при движении Земли сквозь эфир, и скорость света по отношению к Земле должна зависеть от направления светового луча относительно направления ее движения в эфире.

В связи с этой гипотезой появилась идея эксперимента. Допустим, что свет распространяется в эфире с постоянной скоростью с, причем в вакууме эта скорость не зависит от направления. Наша Земля несется сквозь эфир со скоростью не меньшей чем 30 км/с (скорость вращения Земли вокруг Солнца). Можно поставить опыт так, чтобы один луч света в экспериментальной установке распространялся параллельно и антипараллельно движению Земли, а другой — только перпендикулярно. Эти лучи относительно экспериментальной установки будут иметь разную скорость. Если они пройдут одинаковые пути /, отразятся и вернутся в начальную точку, то затратят разное время.

Причем разность времен ∆t≈(l/c)•(v/c)²

Такой опыт провел в 1881 г. американский физик А. Майкельсон, использовавший изобретенный им прибор — интерферометр. Одно плечо интерферометра направлялось по движению Земли, другое — перпендикулярно к нему. Прибор позволял установить, что один из лучей запоздал или обогнал другой на время ∆t ≈ 10^-15 — 10^-16 с. Это эквивалентно тому, что он пробежал путь длиннее на несколько сотых долей микрометра.

Но сравнивать пути пробега с такой немыслимой точностью и не было необходимости. Достаточно было показания интерферометра, что лучи I и II набрали на своем пути какую-то разность хода. Затем весь прибор поворачивался на 90°так, что лучи I и II менялись местами. Тот, что бежал вдоль и против движения Земли, теперь распространялся перпендикулярно. А перпендикулярный луч II двигался, как луч I. В случае существования неподвижного эфира картина интерференции во втором эксперименте была бы иной, чем в первом, и это изменение отметил бы интерферометр.

Но результат этого эксперимента был отрицательным.

В дальнейшем опыт Майкельсона неоднократно повторялся, и всегда результат был одинаковым. Разность хода световых лучей, следующая из теории неподвижного эфира, не была обнаружена. Это означало, что движение Земли никак не влияет на распространение света.

Опыт Майкельсона послужил одним из экспериментальных фактов, положенных в основу теории относительности.