Общий курс физики. Том 4. Оптика - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка): Скачать (прямая ссылка):
Если за единицу принять ширину интерференционной полосы, то смещение полос при повороте интерферометра будет
AiV = А (ф22~ф1) = 1 ?2 Д (cos 2а). (102.1)
Максимального значения
макс = ?*2 (102.2)
оно достигает, когда при повороте интерферометра cos 2а меняется от d=l до HizI- Отсюда видно, что ожидаемое смещение очень мало, так как оно второго порядка по ? = Vlc. Точно оценить его невозможно, поскольку скорость Земли относительно преимущественной инерциальной системы отсчета неизвестна. Можно, однако, оценить нижний предел AA7m3kc. Действительно, допустим сначала, что Солнце покоится относительно преимущественной системы отсчета. Тогда под V надо понимать скорость движения Земли по своей орбите, которая равна около 30 км/с, так что ? = IO-4, ?2 = 10~8. В первом опыте Майкельсона (1881 г.) длина плеча интерферометра была I = 1,2 м. Если взять X = 600 нм, то получится A /Vmskc = 0,04 полосы.
При учете движения Солнца можно ожидать и большего смеще* ния. Действительно, разложим скорость движения Солнца на со- § 102]
ОПЫТ МАЙКЕЛЬСОНА
627
ставляющую V в плоскости земной орбиты и составляющую Vi, перпендикулярную к этой плоскости. Полная скорость Земли будет V= Vop6+ V1I+ Vi, где V0p6 — скорость орбитального движения Земли. Если опыт производится в момент, когда направления скоростей Vop6 и V|| совпадают между собой, то для полной скорости Земли можно написать
V2 = (Vop3+Vu)2+ Vi,
так что V получится больше Vop6. Следовательно, и ожидаемое смещение полос будет больше вычисленного выше.
Конечно, минимальное ожидаемое смещение в 0,04 полосы, вычисленное выше, могло бы наблюдаться только два раза в год, когда направление эфирного ветра совпадает или прямо противоположно направлению движения Земли. Поэтому необходимо производить наблюдения в течение по крайней мере полугода, что фактически и делалось Майкельсоном и всеми физиками, повторявшими его опыт.
Опыт был поставлен настолько тщательно, что позволял обнаружить смещение на 0,01 интерференционной полосы. Ожидаемое смещение на 0,04 полосы могло быть уверенно обнаружено на фоне неизбежных случайных ошибок измерений. Оказалось, что смещения нет. Точнее, результат опыта позволял утверждать, что скорость эфирного ветра, если бы он существовал, не может превышать 18 км/с.
4. В 1887 г. Майкельсон повторил свой опыт совместно с Морли (1837—1923). Для того чтобы при вращении интерферометра не возникали деформации, вызывавшие небольшое смещение интерференционных полос, интерферометр вместе с остальной аппаратурой монтировался на тяжелой цементной плите, которая плавала в сосуде со ртутью. С той же целью прибор все время находился в медленном вращении, даже в моменты наблюдения. Путем применения многократных отражений от 16 зеркал, установленных на той же плите, эффективная длина плеча интерферометра была доведена до 11 м. Ожидаемое смещение из-за орбитального движения Земли составляло уже 0,4 интерференционной полосы. Максимально наблюдавшееся смещение (из-за неизбежных случайных помех) составляло 0,02, а среднее — много меньше 0,01 интерференционной полосы. Опыт позволил утверждать, что скорость эфирного ветра не может превышать 1 км/с. Сам Майкельсон пришел к заключению, что результат опыта определенно отрицательный — эфирного ветра не существует.
Опыт Майкельсона неоднократно повторялся другими физиками с улучшенной аппаратурой и улучшенными методами наблюдения. Не останавливаясь на истории вопроса, укажем только, что к началу 30-х годов было с достоверностью установлено, что скорость эфирного ветра, если он и существует, не может превышать 1—1,5 км/с. 628
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
[ГЛ. Ix '
5. Изобретение лазеров, благодаря исключительно высокой степени монохроматичности и пространственной когерентности этих источников света, позволило чрезвычайно упростить схему опыта Майкельсона и повысить его точность. Опыт был поставлен в 1964 г. американскими физиками Джасея, Джаваном, Мурреем и Таунсом. Идея опыта заключалась в следующем.
Если скорость света зависит от направления его распространения относительно Земли, то частота, на которой генерирует лазер, должна изменяться при его повороте. Это изменение пропорционально ?2, т. е. второго порядка по ?. Два одинаковых гелий-неоновых лазера были установлены на поворотной платформе перпендикулярно друг к другу (рис. 325). Световой пучок от одного из лазеров проходил полупосеребренное зеркало S, а пучок от другого лазера отражался от того же зеркала. Далее пучки шли в одном и том же направлении и попадали в фотоэлектронный умножитель, установленный на той же поворотной платформе. Если бы частоты этих пучков немного отличались друг от друга, то должны были бы возникнуть биения фототока с частотой, лежащей в области радиодиапазона, которые можно было бы наблюдать обычными радиотехническими приемами с помощью анализатора А. 'Частота биений должна была бы меняться при вращении прибора. Если в исходном положении один лазер был ориентирован вдоль, а другой — перпендикулярно к направлению движения Земли, то при пово-Рис. 325. р0Те прибора на 90°, согласно теории не-
