Michelsoni-Morley eksperiment

Allikas: Vikipeedia
Michelson-Morley interferomeeter, mis on kinnitatud kiviplaadile ja hõljub elavhõbeda vannis.

Michelson–Morley eksperimendi sooritasid 1887. aastal Albert Michelson ja Edward Morley,[1] millega üritati tõestada aine suhtelist liikumist statsionaarses eetris. Eksperimendi negatiivseid tulemusi loetakse esimeseks tõestuseks seniselt levinud eetri teooria vastu, mille lõpuks asendas erirelatiivsusteooria.

Sarnaseid eksperimente on korduvalt läbi viidud suurema täpsusega. Viimased eksperimendid optilise resonaatoriga on kinnitanud eetrituule puudumist täpsusega 10−17.[2][3]

Valguse levimiskeskkond[muuda | redigeeri lähteteksti]

19. sajandi füüsikateooriad eeldasid, et kui vee pinnalained vajavad levimiskeskkonda (antud juhul vett) ja heli vajab levimiskeskkonda (näiteks õhku või vett), siis ka valguse levimiseks on vaja teatud keskkonda, mida kutsutakse "eetriks". Kuna valgus saab levida vaakumis, siis usuti, et ka vaakum peab olema täidetud eetriga.

Maa tiirleb ümber Päikese kiirusega 30 km/s. Päike liigub ümber Galaktika keskme veelgi kiiremalt ning vaadates suuremaid struktuuriüksusi, liigub ka Galaktika suure kiirusega. Kuna Maa on pidevas liikumises, eksisteerib kaks võimalust: (1) Eeter on statsionaarne, Maa veab eetrit ainult osaliselt kaasa (hüpoteesi esitas Augustin-Jean Fresnel 1818. aastal) või (2) Maa veab eetrit täielikult kaasa, eeter liigub koos Maa pinnaga (hüpoteesi esitas George Gabriel Stokes 1844. aastal). James Clerk Maxwell esitas Maxwelli võrrandid, mille järgi on nähtav valgus elektromagnetlaine, aga ka nende võrrandite lahendeid tõlgendati lainefunktsioonidena, millega saab kirjeldada valguslaine levimist eetris. Lõpuks eelistati Fresneli ideed (peaaegu) statsionaarsest eetrist, sest selle teooriaga sai seletada Fizeau eksperimenti ja valguse aberratsiooni.

Michelsoni interferomeeter (1881)[muuda | redigeeri lähteteksti]

Joonis 1. Valguskiirte teekond Michelsoni interferomeeteris

Joonisel 1 langeb valgusallikast S tulev valgus osaliselt läbipaistvale peeglile M, kust osa valgust murdub punkti B poole ja osa peegeldub punkti A poole. Peeglitelt M1 ja M2 peegelduvad kiired tagasi ning jõuavad punkti C, kus nad interfereeruvad. Asukohas E olev vaatleja näeb interferentsipilti.

Oodatav interferentsipildi nihe[muuda | redigeeri lähteteksti]

Liikugu Maa eetri suhtes kiirusega v ja olgu interferomeetri haarade pikkused L. Valgusallikas kiirgab valgust, mis levib eetris kiirusega c. Peeglid M ja M2 on paralleelsed eetrituulega. Peeglilt M peeglile M2 jõudmiseks kulub valgusel aega T_1=L/(c-v), tagasi peeglini M jõudmiseks kulub aega T_2 =L/(c+v). Kokku kulub vahemaa M-M2-C läbimiseks aega[4]

T_{l}=T_{1}+T_{2}=\frac{L}{c-v}+\frac{L}{c+v} =\frac{2L}{c}\frac{1}{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}} \approx\frac{2L}{c}\left(1+\frac{v^{2}}{c^{2}}\right).

Eetrituulega risti suunas lõigu M-M1 läbimiseks kulub valgusel aega \scriptstyle T_{3} =L/\sqrt{c^{2}-v^{2}}, tagasi peeglini M läbimiseks kulub sama palju aega. Kokku kulub vahemaa M-M1-C läbimiseks aega

T_{t}=2T_{3}=\frac{2L}{\sqrt{c^{2}-v^{2}}}=\frac{2L}{c}\frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}\approx\frac{2L}{c}\left(1+\frac{v^{2}}{2c^{2}}\right).

Erinevate lõikude läbimiseks kuluva ajavahemike erinevus on[5]

T_{l}-T_{t}=\frac{2}{c}\left(\frac{L}{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}-\frac{L}{\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}\right).

Vastav käiguvahe on

\Delta_{1}=c(T_{l}-T_{t})=2\left(\frac{L}{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}-\frac{L}{\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}\right).

Kui interferomeetrit pöörata 90 kraadi, on käiguvahe

\Delta_{2}=2\left(\frac{L}{\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}-\frac{L}{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}\right).

Jagades käiguvahede erinevuse \Delta_{2}-\Delta_{1} lainepikkusega λ, saab interferentspildi nihke n:

n=\frac{\Delta_{2}-\Delta_{1}}{\lambda}\approx\frac{2Lv^{2}}{\lambda c^{2}}.

Michelson-Morley algses eksperimendis oli haarade pikkus L≈11 meetrit ja lainepikkus λ≈500 nanomeetrit, oodatud interferentsipildi nihe n oli ≈0.44. Valgusel pidi ühe haara läbimiseks kuluma rohkem aega, mida sai mõõta, kui valguskiired uuesti kokku saades interfereerusid. Negatiivsest tulemusest tegi Michelson järelduse, et eetritriiv ei ole mõõdetav.[1]

Eksperimentide tulemused[muuda | redigeeri lähteteksti]

Michelson-Morley eksperiment ei ole ajaloos ainus kord, kui on interferomeetriga üritatud eetrituule olemasolu avastada, analoogseid eksperimente on korduvalt läbi viidud. Kuigi 1905. aastal avaldati erirelatiivsusteooria, mis välistab valguse kiiruse suhtelisuse, jätkati katsete läbi viimisega järjest täpsemate katseseadmetega. Kõikide läbiviidud katsete tulemused on negatiivsed, mis kinnitavad erirelatiivsuse postulaatide õigsust.

Nimi Asukoht Aasta Haara pikkus (meetrit) Oodatud nihe Mõõdetud nihe Suhe Veeter ülemine piir Täpsus Negatiivne tulemus
Michelson[6] Potsdam 1881 1.2 0.04 ≤ 0.02 2 ∼ 20 km/s 0.02 \approx +
Michelson ja Morley[1] Cleveland 1887 11.0 0.4 < 0.02
või ≤ 0.01
40 ∼ 4–8 km/s 0.01 \approx +
Morley ja Miller[7][8] Cleveland 1902–1904 32.2 1.13 ≤ 0.015 80 ∼ 3.5 km/s 0.015 +
Miller[9] Mt. Wilson 1921 32.0 1.12 ≤ 0.08 15 ∼ 8–10 km/s ? ?
Miller[9] Cleveland 1923–1924 32.0 1.12 ≤ 0.03 40 ∼ 5 km/s 0.03 +
Miller (päikesevalgus)[9] Cleveland 1924 32.0 1.12 ≤ 0.014 80 ∼ 3 km/s 0.014 +
Tomaschek (tähevalgus)[10] Heidelberg 1924 8.6 0.3 ≤ 0.02 15 ∼ 7 km/s 0.02 +
Miller[9][11] Mt. Wilson 1925–1926 32.0 1.12 ≤ 0.088 13 ∼ 8–10 km/s ? ?
Kennedy[12] Pasadena/Mt. Wilson 1926 2.0 0.07 ≤ 0.002 35 ∼ 5 km/s 0.002 +
Illingworth[13] Pasadena 1927 2.0 0.07 ≤ 0.0004 175 ∼ 2 km/s 0.0004 +
Piccard & Stahel[14] sondpalliga 1926 2.8 0.13 ≤ 0.006 20 ∼ 7 km/s 0.006 +
Piccard & Stahel[15] Brussels 1927 2.8 0.13 ≤ 0.0002 185 ∼ 2.5 km/s 0.0007 +
Piccard & Stahel[16] Rigi 1927 2.8 0.13 ≤ 0.0003 185 ∼ 2.5 km/s 0.0007 +
Michelson kaastööna[17] Mt. Wilson 1929 25.9 0.9 ≤ 0.01 90 ∼ 3 km/s 0.01 +
Joos[18] Jena 1930 21.0 0.75 ≤ 0.002 375 ∼ 1.5 km/s 0.002 +

Vaata ka[muuda | redigeeri lähteteksti]

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 1,2 Michelson, Albert Abraham & Morley, Edward Williams (1887). "On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether". American Journal of Science 34: 333–345. 
  2. Eisele, Ch.; Nevsky, A. Yu.; Schiller, S. (2009). "Laboratory Test of the Isotropy of Light Propagation at the 10−17 level". Physical Review Letters 103 (9): 090401. Bibcode:2009PhRvL.103i0401E. doi:10.1103/PhysRevLett.103.090401. PMID 19792767. 
  3. Herrmann, S.; Senger, A.; Möhle, K.; Nagel, M.; Kovalchuk, E. V.; Peters, A. (2009). "Rotating optical cavity experiment testing Lorentz invariance at the 10−17 level". Physical Review D 80 (100): 105011. arXiv:1002.1284. Bibcode:2009PhRvD..80j5011H. doi:10.1103/PhysRevD.80.105011. 
  4. Feynman, R.P., "The Michelson–Morley experiment (15–3)", kirjapandud Reading, The Feynman Lectures on Physics, ISBN 0-201-02115-3 
  5. Albert Shadowitz (1988). Special relativity (väljaanne Reprint of 1968 edition ). Courier Dover Publications. pp. 159–160. ISBN 0-486-65743-4. 
  6. Michelson, Albert Abraham (1881). "The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether". American Journal of Science 22: 120–129. 
  7. Edward W. Morley and Dayton C. Miller (1904). "Extract from a Letter dated Cleveland, Ohio, August 5th, 1904, to Lord Kelvin from Profs. Edward W. Morley and Dayton C. Miller". Philosophical Magazine. 6 8 (48): 753–754. 
  8. Edward W. Morley and Dayton C. Miller (1905). "Report of an experiment to detect the Fitzgerald–Lorentz Effect". Proceedings of the American Academy of Arts and Sciences XLI (12): 321–8. 
  9. 9,0 9,1 9,2 9,3 Miller, Dayton C. (1925). "Ether-Drift Experiments at Mount Wilson". Proceedings of the National Academy of Sciences 11 (6): 306–314. Bibcode:1925PNAS...11..306M. doi:10.1073/pnas.11.6.306. 
  10. Tomaschek, R. (1924). "Über das Verhalten des Lichtes außerirdischer Lichtquellen". Annalen der Physik 378 (1): 105–126. Bibcode:1924AnP...378..105T. doi:10.1002/andp.19243780107. 
  11. Miller, Dayton C. (1933). "The Ether-Drift Experiment and the Determination of the Absolute Motion of the Earth". Reviews of Modern Physics 5 (3): 203–242. Bibcode:1933RvMP....5..203M. doi:10.1103/RevModPhys.5.203. 
  12. Kennedy, Roy J. (1926). "A Refinement of the Michelson–Morley Experiment". Proceedings of the National Academy of Sciences 12 (11): 621–629. Bibcode:1926PNAS...12..621K. doi:10.1073/pnas.12.11.621. 
  13. Illingworth, K. K. (1927). "A Repetition of the Michelson–Morley Experiment Using Kennedy's Refinement". Physical Review 30 (5): 692–696. Bibcode:1927PhRv...30..692I. doi:10.1103/PhysRev.30.692. 
  14. Piccard, A.; Stahel, E. (1926). "L'expérience de Michelson, réalisée en ballon libre". Comptes Rendus 183 (7): 420–421. 
  15. Piccard, A.; Stahel, E. (1927). "Nouveaux résultats obtenus par l'expérience de Michelson". Comptes Rendus 184: 152. 
  16. Piccard, A.; Stahel, E. (1927). "L'absence du vent d'éther au Rigi". Comptes Rendus 184: 1198–1200. 
  17. Michelson, A. A.; Pease, F. G.; Pearson, F.; Pease; Pearson (1929). "Results of repetition of the Michelson–Morley experiment". Journal of the Optical Society of America 18 (3): 181. Bibcode:1929JOSA...18..181M. 
  18. Joos, G. (1930). "Die Jenaer Wiederholung des Michelsonversuchs". Annalen der Physik 399 (4): 385–407. Bibcode:1930AnP...399..385J. doi:10.1002/andp.19303990402.