6.2. Опыт Майкельсона — Морли

Рассмотрим сначала другой волновой процесс — звук. Звук распространяется в упругой среде: воздухе, воде, твердых телах. Скорость звука определяется свойствами среды и постоянна относительно среды. Если наблюдатель движется в среде, то относительно него скорость звука будет другой, и определяется она законом сложения скоростей Галилея. При наличии среды о принципе относительности говорить не приходится: выделена та система отсчета, в которой среда покоится. Движение всех остальных систем отсчета легко установить (например, при движении автомобиля наличие воздушной среды обнаруживается по сопротивлению воздуха — кажущемуся ветру).

Раньше думали, что свет — это также механический волновой процесс в особой упругой среде, названной эфиром. Относительно эфира свет распространяется со скоростью, которую принято обозначать буквой с.

Экспериментально установлено, что скорость света равна c = 2,998·108 м/с = 299,8 тыс. км/с. Механический принцип относительности Галилея означает, что при механическом движении эфирного ветра не наблюдается. Это объясняли «тонкостью», «разреженностью» эфира, не оказывающего сопротивления движению «грубых» объектов, с которыми имеет дело механика. Иное дело — электромагнитные явления, распространение света. Там эфирный ветер должен был наблюдаться, и цель опытов (Майкельсон, 1881; Майкельсон и Морли, 1887) как раз и заключалась в поисках этого ветра.

Идея состояла в использовании орбитального движения Земли со скоростью V = 30 км/c. При движении с этой скоростью относительно эфира наблюдатель мог бы обнаружить видимое изменение скорости света: она должна быть равна c + V при движении навстречу световому лучу и c – V при удалении от источника света. Отношение скоростей Земли и света

так что надо было добиться такой или более высокой относительной точности измерений. Это оказалось возможным благодаря использованию интерферометра. Мы не станем вдаваться в технические подробности опыта Майкельсона — Морли, но расскажем лишь о его основной физической идее.

В этом опыте сравнивались времена прохождения света от источника S к зеркалу M и обратно к источнику для двух случаев: когда путь света был параллелен и ортогонален орбитальной скорости Земли.

Рис. 6.3. Идея опыта Майкельсона — Морли: 1 — путь света параллелен орбитальной скорости Земли; 2 — путь света ортогонален орбитальной скорости Земли

В первом случае (см. рис. 6.3–1) свет проходит путь L до зеркала за время

a обратный путь — за время

Складывая эти времена, получаем полное время, затрачиваемое светом на прохождение пути до зеркала и обратно:

Во втором случае (см. рис. 6.3–2) из-за движения зеркала и источника свет затратит на путь время

Расстояние L' легко найти по теореме Пифагора:

откуда получаем уравнение для времени, за которое свет проходит свой путь вот втором случае

Решение этого уравнения дает

Сравнивая времена распространения света в первом и втором случаях, убеждаемся, что они различаются

Конструктивно интерферометр Майкельсона был выполнен так, что луч от источника раздваивался, часть его шла параллельно скорости Земли, а часть — ортогонально. После отражения от зеркал лучи встречались в одной точке и создавали интерференционную картину (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Интерферометр Майкельсона: 1 — общий вид; 2 — схема установки

Никакой разницы во временах прохождения обоих путей обнаружено не было. Но, быть может, скорости Земли и эфира случайно совпали, и потому эфирного ветра не наблюдалось? Опыт повторили через полгода, когда Земля в своем орбитальном движении повернула в противоположную сторону. Результат оказался тем же.