Michelsoni-Morley eksperiment

Michelsoni-Morley eksperimendi sooritasid 1887. aastal Albert Michelson ja Edward Morley, 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. 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. 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. 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 ) {\displaystyle T_{1}=L/(c-v)} , tagasi peeglini M jõudmiseks kulub aega T 2 = L / ( c + v ) {\displaystyle T_{2}=L/(c+v)} . Kokku kulub vahemaa M-M2-C läbimiseks aega T l = T 1 + T 2 = L c − v + L c + v {\displaystyle T_{l}=T_{1}+T_{2}={\frac {L}{c-v}}+{\frac {L}{c+v}}} = 2 L c 1 1 − v 2 c 2 {\displaystyle ={\frac {2L}{c}}{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}} ≈ 2 L c ( 1 + v 2 c 2 ) {\displaystyle \approx {\frac {2L}{c}}\left(1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}}\right)} . Eetrituulega risti suunas lõigu M-M1 läbimiseks kulub valgusel aega T 3 = L / c 2 − v 2 {\displaystyle \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 = 2 T 3 = 2 L c 2 − v 2 = 2 L c 1 1 − v 2 c 2 ≈ 2 L c ( 1 + v 2 2 c 2 ) {\displaystyle 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 T l − T t = 2 c ( L 1 − v 2 c 2 − L 1 − v 2 c 2 ) {\displaystyle 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 Δ 1 = c ( T l − T t ) = 2 ( L 1 − v 2 c 2 − L 1 − v 2 c 2 ) {\displaystyle \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 Δ 2 = 2 ( L 1 − v 2 c 2 − L 1 − v 2 c 2 ) {\displaystyle \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 Δ 2 − Δ 1 {\displaystyle \Delta _{2}-\Delta _{1}} lainepikkusega λ, saab interferentspildi nihke n: n = Δ 2 − Δ 1 λ ≈ 2 L v 2 λ c 2 {\displaystyle n={\frac {\Delta _{2}-\Delta _{1}}{\lambda }}\approx {\frac {2Lv^{2}}{\lambda c^{2}}}} . Michelsoni-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. Michelsoni-Morley eksperiment ei ole ajaloos ainus kord, kui interferomeetriga on 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 tehtud katsete tulemused on negatiivsed, mis kinnitavad erirelatiivsuse postulaatide õigsust. Erirelatiivsusteooria Interferents 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.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Eisele, Ch.; Nevsky, A. Yu.; Schiller, S. (2009). "Laboratory Test of the Isotropy of Light Propagation at the 10−17 level" (PDF). Physical Review Letters. 103 (9): 090401. Bibcode:2009PhRvL.103i0401E. DOI:10.1103/PhysRevLett.103.090401. ISSN 0031-9007. PMID 19792767. Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 26. jaanuar 2022. Vaadatud 14. mail 2013.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) 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.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Feynman, R.P. (1970), "The Michelson–Morley experiment (15–3)", The Feynman Lectures on Physics, kd 1, Reading: Addison Wesley Longman, ISBN 0-201-02115-3 Albert Shadowitz (1988). Special relativity (Reprint of 1968 edition ed.). Courier Dover Publications. Lk 159–160. ISBN 0-486-65743-4. {{cite book}}: parameetris |edition= on üleliigne tekst (juhend) Michelson, Albert Abraham (1881). "The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether" . American Journal of Science. 22: 120–129. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Piccard, A.; Stahel, E. (1926). "L'expérience de Michelson, réalisée en ballon libre". Comptes Rendus. 183 (7): 420–421.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Piccard, A.; Stahel, E. (1927). "Nouveaux résultats obtenus par l'expérience de Michelson". Comptes Rendus. 184: 152.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Piccard, A.; Stahel, E. (1927). "L'absence du vent d'éther au Rigi". Comptes Rendus. 184: 1198–1200.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) 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.{{cite journal}}: CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) Joos, G. (1930). "Die Jenaer Wiederholung des Michelsonversuchs". Annalen der Physik. 399 (4): 385–407. Bibcode:1930AnP...399..385J. DOI:10.1002/andp.19303990402.