Michelsonov–Morleyov experiment (1887): Hľadanie éteru pomocou interferometra

Michelsonov–Morleyov experiment (1887): zásadný pokus o odhalenie éteru interferometrom — metóda, výsledky a dôsledky pre modernú fyziku svetla.

Michelsonov-Morleyho experiment bol vedecký pokus, ktorého cieľom bolo zistiť prítomnosť a vlastnosti látky nazývanej éter, o ktorej sa predpokladalo, že vypĺňa prázdny priestor. Experiment uskutočnili Albert A. Michelson a Edward Morley v roku 1887.

Keďže vlny vo vode potrebujú niečo na pohyb (vodu) a zvukové vlny tiež (vzduch), predpokladalo sa, že aj svetlo potrebuje niečo na pohyb. Vedci v 18. storočí nazvali túto látku "éter" podľa gréckeho boha svetla. Verili, že éter je všade okolo nás a že vypĺňa aj vesmírne vákuum. Michelson a Morley vytvorili tento experiment, aby sa pokúsili dokázať teóriu o existencii éteru. Použili na to zariadenie nazývané interferometer.

Pozadie a motivácia

Predpoklad luminiferózneho éteru vychádzal z analógií s inými vlnami: voda alebo vzduch sú médiá, cez ktoré sa vlny šíria, preto sa prirodzene predpokladalo, že aj svetelné vlny potrebujú médium. Ak Zem prechádza cez tento éter, potom by sa rýchlosť svetla meraná v smere pohybu Zeme a kolmo naň mohla líšiť — vznikol by tzv. "éterový vietor". Michelson a Morley chceli tento efekt priamo zmerať.

Princíp experimentu a zariadenie

Interferometer, ktorý použili, rozdeľuje lúč svetla na dva lúče, ktoré putujú po dvoch navzájom kolmých dráhach k zrkadlám a potom sa znovu spoja. Keď sa lúče znovu spoja, vytvárajú interferenčný obrazec (fringy). Ak by sa rýchlosť šírenia svetla menila v závislosti od smeru (pretože by na Zem pôsobil éterový vietor), zmena relatívnej doby prechodu jedného a druhého ramena by spôsobila posun interferenčných fringingov pri otočení celého prístroja.

V jednoduchých krokoch:

• zdroj svetla → polopriehľadné zrkadlo rozdelí lúč na dva;
• lúče sa odrážajú v zrkadlách v dvoch kolmých ramenách interferometra;
• po návrate sa lúče spoja a vytvoria interferenčný obrazec;
• pri otočení prístroja sa očakával zmenený čas prechodu jedného ramena vzhľadom na druhé, čo by spôsobilo pozorovateľný posun fringingov.

Očakávanie a pozorovaný výsledok

Na základe rýchlosti Zeme v obehu okolo Slnka by mali byť rozdiely veľmi malé, ale v dosahu citlivosti Michelsonovho interferometra. Michelson a Morley však pozorovali prakticky žiadny posun fringingov — výsledok často označovaný ako nulový alebo „null result“. Toto znamenalo, že experiment nenašiel očakávanú anizotropiu rýchlosti svetla spôsobenú éterom.

Reakcie, vysvetlenia a dôsledky

Null výsledok viedol k viacerým pokusom o vysvetlenie. Prvým návrhom bolo hypotetické skrátenie dĺžok pohybujúcich sa telies v smere pohybu (Fitzgerald–Lorentzova kontrakcia), čo by kompenzovalo očakávaný rozdiel a skrylo efekt éteru. Hlbší teoretický prelom prišiel s Einsteinovou teóriou špeciálnej relativity (1905), ktorá postuluje konštantnú rýchlosť svetla vo všetkých inerciálnych sústavách a nepotrebuje éter ako médium. Work Michelsona a Morleyho bol jedným z experimentálnych podnetov, ktoré umožnili prijatie tejto novej koncepcie.

Opakovania a moderné testy

Po pôvodnom experimente nasledovalo viacero opakovaní a zdokonalení meraní s vyššou presnosťou. V 20. storočí sa objavili ďalšie testy isotropie rýchlosti svetla (napríklad Kennedyho–Thorndikeho testy a moderné experimenty s rezonátormi a laserovými systémami). Súčasné experimenty používajú veľmi stabilné optické rezonátory, atómové hodiny a družicové techniky a potvrdzujú isotropiu rýchlosti svetla s mimoriadnou presnosťou — akékoľvek odchýlky sú extrémne malé a hranice na existenciu statického éterového poľa sú veľmi prísne.

Zhrnutie

Michelsonov–Morleyov experiment z roku 1887 bol kľúčovým empirickým testom hypotézy o luminiferóznom éteri. Nulový výsledok experimentu významne ovplyvnil vývoj modernej fyziky: oslabil predstavu o éteri ako nevyhnutnom médiu pre svetlo a prispel k vzniku špeciálnej relativity, ktorá zmenila naše chápanie priestoru, času a šírenia svetla.

Experiment

Zem sa okolo Slnka pohybuje veľmi rýchlo (viac ako 100 000 km za hodinu). Ak éter existuje, Zem pohybujúca sa cez neho by spôsobila "vietor" rovnakým spôsobom, ako sa zdá, že existuje vietor mimo pohybujúceho sa auta. Človeku v aute by sa vzduch mimo auta zdal ako pohybujúca sa látka. Rovnakým spôsobom by sa éter mal javiť ako pohybujúca sa látka pre veci na Zemi.

Interferometer bol navrhnutý na meranie rýchlosti a smeru "éterového vetra" meraním rozdielu medzi rýchlosťou svetla pohybujúceho sa rôznymi smermi. Tento rozdiel sa meral tak, že lúč svetla svietil do zrkadla, ktoré bolo len čiastočne pokryté striebrom. Časť lúča sa odrážala jedným smerom a zvyšok išiel opačným smerom. Tieto dve časti sa potom odrazili späť na miesto, kde sa rozdelili, a znovu sa spojili. Pri pohľade na interferenčné vzory v rekombinovanom svetelnom lúči by sa dali pozorovať akékoľvek zmeny rýchlosti spôsobené éterovým vetrom.

Zistili, že v meraniach v skutočnosti nebol žiadny podstatný rozdiel. To bolo v tom čase pre vedeckú komunitu záhadou a viedlo k vytvoreniu rôznych nových teórií, ktoré mali tento výsledok vysvetliť. Najdôležitejšou bol Lorentzov faktor, ktorý sa používa v špeciálnej teórii relativity Alberta Einsteina.

Michelsonov interferometer využíva rovnaký princíp ako pôvodný experiment. Ako zdroj svetla však používa laser.

Otázky a odpovede

Otázka: Aký bol účel Michelsonovho a Morleyho experimentu?

Otázka: Čo je éter?

Otázka: Kedy sa uskutočnil Michelsonov-Morleyho experiment?

Otázka: Čo ukázal Michelsonov-Morleyho experiment?

Otázka: Čo si o éteri mysleli vedci v 18. storočí?

Otázka: Čo Michelson a Morley použili na svoj experiment?

Otázka: Čoho sa Michelsonov a Morleyho experiment týka?

Hľadajte podľa písmena