Эксперимент Майкельсона–Морли

1887 исследование скорости света

Интерферометрическая установка Майкельсона и Морли , установленная на каменной плите, плавающей в кольцевом желобе с ртутью.

Эксперимент Майкельсона-Морли был попыткой измерить движение Земли относительно светоносного эфира , ^{[A 1]} предполагаемой среды, пронизывающей пространство, которая, как считалось, была носителем световых волн . Эксперимент был проведен между апрелем и июлем 1887 года американскими физиками Альбертом А. Майкельсоном и Эдвардом У. Морли в том месте, где сейчас находится Университет Кейс Вестерн Резерв в Кливленде , штат Огайо, и опубликован в ноябре того же года. ^[1]

Эксперимент сравнивал скорость света в перпендикулярных направлениях в попытке обнаружить относительное движение материи, включая их лабораторию, через светоносный эфир, или «эфирный ветер», как его иногда называли. Результат был отрицательным, поскольку Майкельсон и Морли не обнаружили существенной разницы между скоростью света в направлении движения через предполагаемый эфир и скоростью под прямым углом. Этот результат обычно считается первым веским доказательством против некоторых теорий эфира , а также началом направления исследований, которое в конечном итоге привело к специальной теории относительности , которая исключает движение против эфира. ^{[A 2]} Об этом эксперименте Альберт Эйнштейн писал: «Если бы эксперимент Майкельсона–Морли не поставил нас в серьезное замешательство, никто бы не считал теорию относительности (на полпути) искуплением». ^{[A 3] : 219}

Эксперименты типа Майкельсона–Морли повторялись много раз с постоянно растущей чувствительностью. К ним относятся эксперименты с 1902 по 1905 год и серия экспериментов в 1920-х годах. Совсем недавно, в 2009 году, эксперименты с оптическим резонатором подтвердили отсутствие какого-либо эфирного ветра на уровне 10−17 ^. [ ^{2] [3]} Вместе с экспериментами Айвза–Стилвелла и Кеннеди–Торндайка эксперименты типа Майкельсона–Морли образуют один из фундаментальных тестов специальной теории относительности . ^{[A 4]}

Обнаружение эфира

Физические теории 19-го века предполагали, что так же, как поверхностные волны на воде должны иметь поддерживающую субстанцию, т. е. «среду», чтобы перемещаться (в данном случае воду), а слышимый звук требует среду для передачи своих волновых движений (например, воздух или воду), так и свет должен также требовать среду, « светоносный эфир », чтобы передавать свои волновые движения. Поскольку свет может проходить через вакуум, предполагалось, что даже вакуум должен быть заполнен эфиром. Поскольку скорость света настолько велика, и поскольку материальные тела проходят через эфир без явного трения или сопротивления, предполагалось, что он имеет весьма необычное сочетание свойств. Разработка экспериментов для исследования этих свойств была первоочередной задачей физики 19-го века. ^{[A 5] : 411ff}

Земля вращается вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с (18,64 миль/с) или 108 000 км/ч (67 000 миль/ч). Земля находится в движении, поэтому рассматривались две основные возможности: (1) эфир неподвижен и лишь частично увлекается Землей (предложено Огюстеном-Жаном Френелем в 1818 году), или (2) эфир полностью увлекается Землей и, таким образом, разделяет ее движение на поверхности Земли (предложено сэром Джорджем Стоксом, 1-м баронетом в 1844 году). ^{[A 6]} Кроме того, Джеймс Клерк Максвелл (1865) осознал электромагнитную природу света и разработал то, что сейчас называется уравнениями Максвелла , но эти уравнения по-прежнему интерпретировались как описывающие движение волн через эфир, состояние движения которого было неизвестно. В конце концов, идея Френеля о (почти) неподвижном эфире была признана предпочтительной, поскольку она, по-видимому, подтверждалась экспериментом Физо (1851) и аберрацией звездного света . ^{[A 6]}

Изображение концепции « эфирного ветра »

Согласно гипотезам стационарного и частично увлекаемого эфира, Земля и эфир находятся в относительном движении, что подразумевает, что должен существовать так называемый «эфирный ветер» (рис. 2). Хотя теоретически возможно, чтобы движение Земли совпадало с движением эфира в один момент времени, Земля не могла бы оставаться в покое относительно эфира все время из-за изменения как направления, так и скорости движения. В любой заданной точке на поверхности Земли величина и направление ветра будут меняться в зависимости от времени суток и сезона. Анализируя скорость возврата света в разных направлениях в разное время, считалось возможным измерить движение Земли относительно эфира. Ожидаемая относительная разница в измеренной скорости света была довольно мала, учитывая, что скорость Земли на ее орбите вокруг Солнца имеет величину около одной сотой процента от скорости света. ^{[A 5] : 417ff}

В середине 19 века считалось возможным измерение эффектов эфирного ветра первого порядка, т. е. эффектов, пропорциональных v / c ( v — скорость Земли, c — скорость света), но прямое измерение скорости света с требуемой точностью было невозможно. Например, колесо Физо могло измерять скорость света с точностью, возможно, 5%, что было совершенно недостаточно для прямого измерения изменения скорости света первого порядка на 0,01%. Поэтому ряд физиков пытались провести измерения косвенных эффектов первого порядка не самой скорости света, а изменений скорости света (см. Эксперименты по эфирному дрейфу первого порядка ). Например, эксперимент Хука был направлен на обнаружение интерферометрических сдвигов полос из-за разницы скоростей противоположно распространяющихся световых волн через воду в состоянии покоя. Результаты всех таких экспериментов были отрицательными. ^{[A 7]} Это можно объяснить, используя коэффициент увлечения Френеля , согласно которому эфир и, следовательно, свет частично увлекаются движущейся материей. Частичное увлечение эфиром помешало бы попыткам измерить любое изменение первого порядка скорости света. Как указал Максвелл (1878), только экспериментальные установки, способные измерять эффекты второго порядка, могли бы иметь какую-либо надежду обнаружить эфирный дрейф, т. е. эффекты, пропорциональные v ² / c ² . ^{[A 8] [A 9]} Однако существующие экспериментальные установки были недостаточно чувствительны, чтобы измерить эффекты такого размера.

Эксперименты 1881 и 1887 годов

Эксперимент Майкельсона (1881)

Интерферометр Майкельсона 1881 года . Хотя в конечном итоге он оказался неспособным различать разные теории увлечения эфира , его конструкция дала важные уроки для проектирования инструмента Майкельсона и Морли 1887 года. ^{[примечание 1]}

У Майкельсона было решение проблемы, как построить устройство, достаточно точное для обнаружения потока эфира. В 1877 году, преподавая в своей альма-матер, Военно-морской академии США в Аннаполисе, Майкельсон провел свои первые известные эксперименты по скорости света в рамках демонстрации в классе. В 1881 году он оставил действующую военно-морскую службу США, находясь в Германии, завершая свое обучение. В том же году Майкельсон использовал прототип экспериментального устройства, чтобы провести еще несколько измерений.

Сконструированное им устройство, позже известное как интерферометр Майкельсона , посылало желтый свет из пламени натрия (для выравнивания) или белый свет (для фактических наблюдений) через полупосеребренное зеркало , которое использовалось для разделения его на два луча, идущих под прямым углом друг к другу. После выхода из расщепителя лучи направлялись к концам длинных плеч, где они отражались обратно в середину маленькими зеркалами. Затем они рекомбинировали на дальней стороне расщепителя в окуляре, создавая картину конструктивной и деструктивной интерференции, поперечное смещение которой зависело бы от относительного времени, необходимого свету для прохождения продольных и поперечных плеч. Если Земля движется через эфирную среду, то световой луч, движущийся параллельно потоку этого эфира, будет отражаться вперед и назад дольше, чем луч, движущийся перпендикулярно эфиру, потому что увеличение прошедшего времени при движении против эфирного ветра больше, чем время, сэкономленное при движении с эфирным ветром. Майкельсон ожидал, что движение Земли вызовет сдвиг полос, равный 0,04 полосы, то есть, расстояния между областями одинаковой интенсивности. Он не наблюдал ожидаемого сдвига; наибольшее среднее отклонение, которое он измерил (в северо-западном направлении), составило всего 0,018 полосы; большинство его измерений были намного меньше. Его вывод состоял в том, что гипотеза Френеля о неподвижном эфире с частичным увлечением эфира должна быть отвергнута, и таким образом он подтвердил гипотезу Стокса о полном увлечении эфира. ^[4]

Однако Альфред Потье (а позже и Хендрик Лоренц ) указали Майкельсону на то, что он допустил ошибку в расчетах, и что ожидаемый сдвиг полосы должен был составить всего 0,02 полосы. Аппарат Майкельсона был подвержен экспериментальным ошибкам, слишком большим, чтобы сказать что-либо определенное об эфирном ветре. Окончательное измерение эфирного ветра потребовало бы эксперимента с большей точностью и лучшим контролем, чем в оригинале. Тем не менее, прототип успешно продемонстрировал, что базовый метод осуществим. ^{[A 6] [A 10]}

Эксперимент Майкельсона–Морли (1887)

На этой схеме показан сложенный путь света, используемый в интерферометре Майкельсона-Морли, который позволил получить длину пути 11 м. a — источник света, масляная лампа . b — светоделитель . c — компенсационная пластина, благодаря которой отраженные и прошедшие лучи проходят через одинаковое количество стекла (важно, поскольку эксперименты проводились с белым светом, который имеет чрезвычайно короткую длину когерентности , требующую точного соответствия длин оптических путей для того, чтобы полосы были видны; монохроматический натриевый свет использовался только для начального выравнивания ^{[4] [примечание 2]} ). d , d' и e — зеркала. e' — зеркало точной настройки. f — телескоп .

В 1885 году Майкельсон начал сотрудничать с Эдвардом Морли , потратив значительное время и деньги на подтверждение с большей точностью эксперимента Физо 1851 года по коэффициенту сопротивления Френеля, ^[5] чтобы улучшить эксперимент Майкельсона 1881 года, ^[1] и установить длину волны света в качестве стандарта длины . ^{[6] [7]} В это время Майкельсон был профессором физики в Школе прикладных наук Кейса, а Морли был профессором химии в Университете Западного резерва (WRU), который делил кампус со Школой Кейса на восточной окраине Кливленда. Майкельсон перенес кризис психического здоровья в сентябре 1885 года, от которого он оправился к октябрю 1885 года. Морли приписал этот срыв интенсивной работе Майкельсона во время подготовки экспериментов. В 1886 году Майкельсон и Морли успешно подтвердили коэффициент сопротивления Френеля — этот результат также считался подтверждением концепции стационарного эфира. ^{[A 2]}

Этот результат укрепил их надежду на обнаружение эфирного ветра. Майкельсон и Морли создали улучшенную версию эксперимента Майкельсона с более чем достаточной точностью для обнаружения этого гипотетического эффекта. Эксперимент проводился в несколько периодов концентрированных наблюдений с апреля по июль 1887 года в подвале общежития Адельберта в WRU (позже переименованного в Пирс-холл, снесенного в 1962 году). ^{[A 11] [A 12]}

Как показано на схеме справа, свет многократно отражался вперед и назад вдоль плеч интерферометра, увеличивая длину пути до 11 м (36 футов). При такой длине дрейф составит около 0,4 полосы. Чтобы сделать это легко обнаруживаемым, аппарат был собран в закрытой комнате в подвале тяжелого каменного общежития, что исключило большинство тепловых и вибрационных эффектов. Вибрации были дополнительно уменьшены путем строительства аппарата на вершине большого блока песчаника (рис. 1), толщиной около фута и площадью пять футов (1,5 м), который затем плавал в круглом желобе с ртутью. Они подсчитали, что можно будет обнаружить эффекты около 0,01 полосы.

Картина полос, полученная с помощью интерферометра Майкельсона с использованием белого света . В данной конфигурации центральная полоса белая, а не черная.

Майкельсон, Морли и другие ранние экспериментаторы, использовавшие интерферометрические методы в попытке измерить свойства светоносного эфира, использовали (частично) монохроматический свет только для первоначальной настройки своего оборудования, всегда переключаясь на белый свет для фактических измерений. Причина в том, что измерения регистрировались визуально. Чисто монохроматический свет привел бы к однородному узору полос. Не имея современных средств контроля температуры окружающей среды , экспериментаторы боролись с непрерывным дрейфом полос, даже когда интерферометр был установлен в подвале. Поскольку полосы иногда исчезали из-за вибраций, вызванных проезжающим конным транспортом, далекими грозами и тому подобным, наблюдатель мог легко «потеряться», когда полосы возвращались в видимость. Преимущества белого света, который создавал отчетливый цветной узор полос, намного перевешивали трудности выравнивания аппарата из-за его низкой длины когерентности . Как писал Дейтон Миллер , «полосы белого света были выбраны для наблюдений, потому что они состоят из небольшой группы полос, имеющих центральную, резко очерченную черную полосу, которая образует постоянную нулевую отметку для всех показаний». ^{[A 13] [примечание 3]} Использование частично монохроматического света (желтого натриевого света) во время первоначального выравнивания позволило исследователям более или менее легко определить положение равной длины пути, прежде чем переключиться на белый свет. ^{[примечание 4]}

Ртутный желоб позволял устройству вращаться с почти нулевым трением, так что после одного толчка песчаниковый блок медленно вращался во всем диапазоне возможных углов к «эфирному ветру», в то время как измерения непрерывно наблюдались через окуляр. Гипотеза эфирного дрейфа подразумевает, что поскольку одно из плеч неизбежно поворачивалось в направлении ветра в то же самое время, когда другое плечо поворачивалось перпендикулярно ветру, эффект должен быть заметен даже в течение нескольких минут.

Ожидалось, что эффект будет графически представлен в виде синусоиды с двумя пиками и двумя впадинами за один оборот устройства. Этот результат можно было ожидать, поскольку во время каждого полного оборота каждое плечо будет дважды параллельно ветру (обращено к ветру и от него, давая одинаковые показания) и дважды перпендикулярно ветру. Кроме того, из-за вращения Земли можно было бы ожидать, что ветер будет периодически изменять направление и величину в течение звездных суток .

Из-за движения Земли вокруг Солнца ожидалось, что данные измерений также будут демонстрировать годовые колебания.

Самый известный «неудачный» эксперимент

Результаты Майкельсона и Морли. Верхняя сплошная линия — кривая для их наблюдений в полдень, а нижняя сплошная линия — для их вечерних наблюдений. Обратите внимание, что теоретические кривые и наблюдаемые кривые не построены в одном масштабе: пунктирные кривые, по сути, представляют только одну восьмую теоретических смещений.

После всех этих размышлений и подготовки эксперимент стал тем, что было названо самым известным неудавшимся экспериментом в истории. ^{[A 1]} Вместо того, чтобы дать представление о свойствах эфира, статья Майкельсона и Морли в Американском журнале науки сообщила, что измерение было всего лишь одной сороковой ожидаемого смещения (рис. 7), но «поскольку смещение пропорционально квадрату скорости», они пришли к выводу, что измеренная скорость была «вероятно меньше одной шестой» ожидаемой скорости движения Земли по орбите и «определенно меньше одной четвертой». ^[1] Хотя эта небольшая «скорость» была измерена, ее посчитали слишком малой, чтобы использовать ее в качестве доказательства скорости относительно эфира, и понимали, что она находится в пределах экспериментальной погрешности, которая позволила бы скорости фактически быть равной нулю. ^{[A 2]} Например, Майкельсон написал о «решительно отрицательном результате» в письме лорду Рэлею в августе 1887 года: ^{[A 14]}

Эксперименты по относительному движению Земли и эфира были завершены, и результат решительно отрицательный. Ожидаемое отклонение интерференционных полос от нуля должно было быть 0,40 полосы — максимальное смещение составило 0,02, а среднее — намного меньше 0,01 — и то не в том месте. Поскольку смещение пропорционально квадратам относительных скоростей, то следует, что если эфир проскальзывает, относительная скорость составляет менее одной шестой скорости Земли.

-  Альберт Абрахам Майкельсон, 1887 г.

С точки зрения тогдашних моделей эфира экспериментальные результаты были противоречивыми. Эксперимент Физо и его повторение в 1886 году Майкельсоном и Морли, по-видимому, подтвердили стационарный эфир с частичным увлечением эфира и опровергли полное увлечение эфира. С другой стороны, гораздо более точный эксперимент Майкельсона–Морли (1887), по-видимому, подтвердил полное увлечение эфира и опроверг стационарный эфир. ^{[A 6]} Кроме того, нулевой результат Майкельсона–Морли был дополнительно подтвержден нулевыми результатами других экспериментов второго порядка другого рода, а именно эксперимента Траутона–Нобла (1903) и экспериментов Рэлея и Брейса (1902–1904). Эти проблемы и их решение привели к развитию преобразования Лоренца и специальной теории относительности .

После «неудачного» эксперимента Майкельсон и Морли прекратили измерения эфирного дрейфа и начали использовать недавно разработанную ими методику для установления длины волны света в качестве стандарта длины . ^{[6] [7]}

Анализ светового пути и последствия

Наблюдатель, покоящийся в эфире

Ожидаемый дифференциальный фазовый сдвиг между светом, проходящим по продольному и поперечному плечам аппарата Майкельсона-Морли

Время прохождения луча в продольном направлении можно получить следующим образом: ^{[A 15]} Свет посылается из источника и распространяется со скоростью света в эфире. Он проходит через полупрозрачное зеркало в начале координат в . Отражающее зеркало в этот момент находится на расстоянии (длина плеча интерферометра) и движется со скоростью . Луч попадает в зеркало в момент времени и, таким образом, проходит расстояние . К этому времени зеркало прошло расстояние . Таким образом , и, следовательно, время прохождения . То же самое соображение применимо к обратному путешествию, со знаком обратным, в результате чего и . Общее время прохождения равно: ${\textstyle c}$ ${\textstyle T=0}$ ${\textstyle L}$ ${\textstyle v}$ ${\textstyle T_{1}}$ ${\textstyle cT_{1}}$ ${\textstyle vT_{1}}$ ${\textstyle cT_{1}=L+vT_{1}}$ ${\textstyle T_{1}=L/(c-v)}$ ${\textstyle v}$ ${\textstyle cT_{2}=L-vT_{2}}$ ${\textstyle T_{2}=L/(c+v)}$ ${\textstyle T_{\ell }=T_{1}+T_{2}}$

${\displaystyle T_{\ell }={\frac {L}{c-v}}+{\frac {L}{c+v}}={\frac {2L}{c}}{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}\approx {\frac {2L}{c}}\left(1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}}\right)}$

Майкельсон получил это выражение правильно в 1881 году, однако в поперечном направлении он получил неправильное выражение

${\displaystyle T_{t}={\frac {2L}{c}},}$

потому что он упустил из виду увеличение длины пути в системе покоя эфира. Это было исправлено Альфредом Потье (1882) и Хендриком Лоренцом (1886). Вывод в поперечном направлении можно дать следующим образом (аналогично выводу замедления времени с использованием световых часов ): Луч распространяется со скоростью света и попадает в зеркало в момент времени , пройдя расстояние . В то же время зеркало прошло расстояние в направлении x . Таким образом, чтобы попасть в зеркало, путь перемещения луча лежит в направлении y (предполагая, что плечи равны по длине) и в направлении x . Этот наклонный путь перемещения следует из преобразования из системы покоя интерферометра в систему покоя эфира. Следовательно, теорема Пифагора дает фактическое расстояние перемещения луча . Таким образом , и, следовательно, время перемещения , которое является тем же для обратного перемещения. Общее время перемещения равно: ${\textstyle c}$ ${\textstyle T_{3}}$ ${\textstyle cT_{3}}$ ${\textstyle vT_{3}}$ ${\textstyle L}$ ${\textstyle vT_{3}}$ ${\textstyle {\sqrt {L^{2}+\left(vT_{3}\right)^{2}}}}$ ${\textstyle cT_{3}={\sqrt {L^{2}+\left(vT_{3}\right)^{2}}}}$ ${\textstyle T_{3}=L/{\sqrt {c^{2}-v^{2}}}}$ ${\textstyle T_{t}=2T_{3}}$

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

Разница во времени между и определяется по формуле ^{[A 16]} ${\displaystyle T_{\ell }}$ ${\displaystyle T_{t}}$

${\displaystyle T_{\ell }-T_{t}={\frac {2L}{c}}\left({\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}-{\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\right)}$

Чтобы найти разность хода, просто умножьте на ; ${\displaystyle c}$

${\displaystyle \Delta {\lambda }_{1}=2L\left({\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}-{\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}\right)}$

Разность хода обозначается как , поскольку лучи не совпадают по фазе на некоторое количество длин волн ( ). Чтобы визуализировать это, рассмотрим два пути лучей вдоль продольной и поперечной плоскости и расположим их прямо (анимация этого показана на 11-й минуте, Механическая Вселенная, эпизод 41 ^[8] ). Один путь будет длиннее другого, это расстояние равно . В качестве альтернативы рассмотрим перестановку формулы скорости света . ${\displaystyle \Delta \lambda }$ ${\displaystyle \lambda }$ ${\displaystyle \Delta \lambda }$ ${\displaystyle c{\Delta }T=\Delta \lambda }$

Если соотношение верно (если скорость эфира мала по сравнению со скоростью света), то выражение можно упростить, используя биномиальное разложение первого порядка; ${\displaystyle {v^{2}}/{c^{2}}<<1}$

${\displaystyle (1-x)^{n}\approx {1-nx}}$

Итак, переписываем вышесказанное с точки зрения полномочий:

${\displaystyle \Delta {\lambda }_{1}=2L\left(\left({1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}\right)^{-1}-\left(1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}\right)^{-1/2}\right)}$

Применение биномиального упрощения; ^[9]

${\displaystyle \Delta {\lambda }_{1}=2L\left((1+{\frac {v^{2}}{c^{2}}})-(1+{\frac {v^{2}}{2c^{2}}})\right)={2L}{\frac {v^{2}}{2c^{2}}}}$

Поэтому;

${\displaystyle \Delta {\lambda }_{1}={L}{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}$

Из этого вывода видно, что эфирный ветер проявляется как разность хода. Разность хода равна нулю только тогда, когда интерферометр совмещен с эфирным ветром или перпендикулярен ему, и достигает максимума, когда он находится под углом 45°. Разность хода может быть любой долей длины волны в зависимости от угла и скорости эфирного ветра.

Чтобы доказать существование эфира, Майкельсон и Морли пытались найти «сдвиг полос». Идея была проста: полосы интерференционной картины должны были смещаться при повороте на 90°, поскольку два луча поменялись ролями. Чтобы найти сдвиг полос, вычтите разницу хода в первой ориентации из разницы хода во второй, затем разделите на длину волны , , света; ^[9] ${\displaystyle \lambda }$

${\displaystyle n={\frac {\Delta \lambda _{1}-\Delta \lambda _{2}}{\lambda }}\approx {\frac {2Lv^{2}}{\lambda c^{2}}}.}$

Обратите внимание на разницу между , которая представляет собой некоторое количество длин волн, и которая представляет собой одну длину волны. Как видно из этого соотношения, сдвиг полосы n является безразмерной величиной. ${\displaystyle \Delta \lambda }$ ${\displaystyle \lambda }$

Поскольку L  ≈ 11 метров и λ ≈ 500 нанометров , ожидаемый сдвиг полосы составил n  ≈ 0,44. Отрицательный результат привел Майкельсона к выводу, что нет измеримого эфирного дрейфа. ^[1] Однако он никогда не принимал этого на личном уровне, и отрицательный результат преследовал его всю оставшуюся жизнь. ^[8]

Наблюдатель, движущийся вместе с интерферометром

Если ту же ситуацию описать с точки зрения наблюдателя, движущегося вместе с интерферометром, то эффект эфирного ветра аналогичен эффекту, испытываемому пловцом, который пытается двигаться со скоростью против течения реки, текущей со скоростью . ^{[A 17]} ${\textstyle c}$ ${\textstyle v}$

В продольном направлении пловец сначала движется против течения, поэтому его скорость уменьшается из-за течения реки до . На обратном пути, двигаясь вниз по течению, его скорость увеличивается до . Это дает время прохождения луча и , как упоминалось выше. ${\textstyle c-v}$ ${\textstyle c+v}$ ${\textstyle T_{1}}$ ${\textstyle T_{2}}$

В поперечном направлении пловец должен компенсировать течение реки, двигаясь под определенным углом против направления течения, чтобы поддерживать точное поперечное направление движения и достичь другого берега реки в правильном месте. Это уменьшает его скорость до , и дает время прохождения луча, как указано выше. ${\textstyle {\sqrt {c^{2}-v^{2}}}}$ ${\textstyle T_{3}}$

Зеркальное отражение

Классический анализ предсказал относительный сдвиг фаз между продольными и поперечными лучами, который в аппарате Майкельсона и Морли должен был быть легко измеримым. Что не часто принимается во внимание (поскольку не было средств его измерения), так это то, что движение через гипотетический эфир также должно было заставить два луча расходиться примерно на 10−8 радиан, когда они выходили из интерферометра ^. [ ^{A 18]}

Для аппарата в движении классический анализ требует, чтобы светоделительное зеркало было слегка смещено от точного угла в 45°, если продольные и поперечные лучи должны выходить из аппарата точно наложенными. В релятивистском анализе лоренцево сокращение светоделителя в направлении движения заставляет его стать более перпендикулярным точно на величину, необходимую для компенсации углового расхождения двух лучей. ^{[A 18]}

Сокращение длины и преобразование Лоренца

Первый шаг к объяснению нулевого результата эксперимента Майкельсона и Морли был найден в гипотезе сокращения Фицджеральда–Лоренца , теперь называемой просто сокращением длины или сокращением Лоренца, впервые предложенной Джорджем Фицджеральдом (1889) в письме в тот же журнал, где была опубликована статья Майкельсона-Морли, как «почти единственная гипотеза, которая может примирить» кажущиеся противоречия. Она была независимо предложена Хендриком Лоренцом (1892). ^{[A 19]} Согласно этому закону все объекты физически сжимаются вдоль линии движения (первоначально считавшейся относительно эфира), что является фактором Лоренца . Эта гипотеза была частично мотивирована открытием Оливера Хевисайда в 1888 году того, что электростатические поля сжимаются по линии движения. Но поскольку в то время не было никаких оснований предполагать, что силы связи в материи имеют электрическое происхождение, сокращение длины материи, движущейся относительно эфира, считалось гипотезой ad hoc . ^{[А 10]} ${\textstyle L/\gamma }$ ${\textstyle \gamma =1/{\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$

Если в приведенную выше формулу для подставить сокращение длины , то время распространения света в продольном направлении станет равным времени распространения света в поперечном направлении: ${\textstyle L}$ ${\textstyle T_{\ell }}$

${\displaystyle T_{\ell }={\frac {2L{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}{c}}{\frac {1}{1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}={\frac {2L}{c}}{\frac {1}{\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}}=T_{t}}$

Однако сокращение длины является лишь частным случаем более общего соотношения, согласно которому поперечная длина больше продольной длины в соотношении . Этого можно достичь многими способами. Если — движущаяся продольная длина, а движущаяся поперечная длина, являющиеся длинами покоя, то это дано: ^{[A 20]} ${\textstyle \gamma }$ ${\textstyle L_{1}}$ ${\textstyle L_{2}}$ ${\textstyle L'_{1}=L'_{2}}$

${\displaystyle {\frac {L_{2}}{L_{1}}}={\frac {L'_{2}}{\varphi }}\left/{\frac {L'_{1}}{\gamma \varphi }}\right.=\gamma .}$

${\textstyle \varphi }$может быть выбрано произвольно, поэтому существует бесконечно много комбинаций для объяснения нулевого результата Майкельсона–Морли. Например, если релятивистское значение сокращения длины происходит, но если то никакого сокращения длины не происходит, а происходит удлинение . Эта гипотеза была позже расширена Джозефом Лармором (1897), Лоренцем (1904) и Анри Пуанкаре (1905), которые разработали полное преобразование Лоренца, включая замедление времени , для объяснения эксперимента Троутона–Нобла , экспериментов Рэлея и Брейса и экспериментов Кауфмана . Она имеет вид ${\textstyle \varphi =1}$ ${\textstyle L_{1}}$ ${\textstyle \varphi =1/\gamma }$ ${\textstyle L_{2}}$

${\displaystyle x'=\gamma \varphi (x-vt),\ y'=\varphi y,\ z'=\varphi z,\ t'=\gamma \varphi \left(t-{\frac {vx}{c^{2}}}\right)}$

Оставалось определить значение , которое, как показал Лоренц (1904), равно единице. ^{[A 20]} В общем, Пуанкаре (1905) ^{[A 21]} продемонстрировал, что только позволяет этому преобразованию образовать группу , поэтому это единственный выбор, совместимый с принципом относительности , т. е. делающий неподвижный эфир необнаружимым. Учитывая это, сокращение длины и замедление времени получают свои точные релятивистские значения. ${\textstyle \varphi }$ ${\textstyle \varphi =1}$

Специальная теория относительности

Альберт Эйнштейн сформулировал теорию специальной теории относительности в 1905 году, выведя преобразование Лоренца и, таким образом, сокращение длины и замедление времени из постулата относительности и постоянства скорости света, тем самым устранив ad hoc характер гипотезы сокращения. Эйнштейн подчеркивал кинематическую основу теории и модификацию понятия пространства и времени, при этом неподвижный эфир больше не играл никакой роли в его теории. Он также указал на групповой характер преобразования. Эйнштейн был мотивирован теорией электромагнетизма Максвелла (в той форме, в которой она была дана Лоренцем в 1895 году) и отсутствием доказательств существования светоносного эфира . ^{[A 22]}

Это позволяет более элегантно и интуитивно объяснить нулевой результат Майкельсона–Морли. В сопутствующей системе нулевой результат очевиден, поскольку аппарат можно считать покоящимся в соответствии с принципом относительности, поэтому время прохождения луча одинаково. В системе, относительно которой аппарат движется, применимы те же рассуждения, что описаны выше в «Сокращении длины и преобразовании Лоренца», за исключением того, что слово «эфир» должно быть заменено на «несопутствующая инерциальная система». Эйнштейн писал в 1916 году: ^{[A 23]}

Хотя предполагаемая разница между этими двумя временами чрезвычайно мала, Майкельсон и Морли провели эксперимент с интерференцией, в котором эта разница должна была быть четко обнаружена. Но эксперимент дал отрицательный результат — факт, весьма озадачивающий физиков. Лоренц и Фицджеральд спасли теорию от этой трудности, предположив, что движение тела относительно эфира вызывает сокращение тела в направлении движения, причем величина сокращения как раз достаточна для компенсации разницы во времени, упомянутой выше. Сравнение с обсуждением в разделе 11 показывает, что и с точки зрения теории относительности это решение трудности было правильным. Но на основе теории относительности метод интерпретации несравненно более удовлетворительен. Согласно этой теории, не существует такой вещи, как «особо благоприятствуемая» (уникальная) система координат, которая могла бы послужить поводом для введения идеи эфира, и, следовательно, не может быть ни эфирного дрейфа, ни какого-либо эксперимента, с помощью которого можно было бы его продемонстрировать. Здесь сокращение движущихся тел следует из двух основных принципов теории, без введения частных гипотез; и в качестве главного фактора, вовлеченного в это сокращение, мы находим не движение само по себе, которому мы не можем придать никакого значения, а движение относительно тела отсчета, выбранного в данном конкретном случае. Таким образом, для системы координат, движущейся вместе с Землей, зеркальная система Майкельсона и Морли не сокращается, но она сокращается для системы координат, которая находится в покое относительно Солнца.

—  Альберт Эйнштейн, 1916 г.

Степень, в которой нулевой результат эксперимента Майкельсона-Морли повлиял на Эйнштейна, является спорной. Ссылаясь на некоторые высказывания Эйнштейна, многие историки утверждают, что он не сыграл значительной роли на его пути к специальной теории относительности, ^{[A 24] [A 25]} , в то время как другие высказывания Эйнштейна, вероятно, предполагают, что он был под его влиянием. ^{[A 26]} В любом случае, нулевой результат эксперимента Майкельсона-Морли помог представлению о постоянстве скорости света получить широкое и быстрое признание. ^{[A 24]}

Позже Говард Перси Робертсон (1949) и другие ^{[A 4] [A 27]} (см. Теорию теста Робертсона–Мансури–Сексля ) показали, что можно полностью вывести преобразование Лоренца из комбинации трех экспериментов. Во-первых, эксперимент Майкельсона–Морли показал, что скорость света не зависит от ориентации аппарата, установив связь между продольной (β) и поперечной (δ) длинами. Затем в 1932 году Рой Кеннеди и Эдвард Торндайк модифицировали эксперимент Майкельсона–Морли, сделав длины путей разделенного луча неравными, причем одно плечо было очень коротким. ^[10] Эксперимент Кеннеди–Торндайка продолжался в течение многих месяцев, пока Земля двигалась вокруг Солнца. Их отрицательный результат показал, что скорость света не зависит от скорости аппарата в различных инерциальных системах отсчета. Кроме того, было установлено, что помимо изменений длины должны происходить и соответствующие изменения времени, т. е. была установлена ​​связь между продольными длинами (β) и изменениями времени (α). Таким образом, оба эксперимента не дают индивидуальных значений этих величин. Эта неопределенность соответствует неопределенному фактору, как описано выше. Было ясно из теоретических соображений ( групповой характер преобразования Лоренца, как того требует принцип относительности), что индивидуальные значения сокращения длины и замедления времени должны принимать свою точную релятивистскую форму. Но прямое измерение одной из этих величин все еще было желательно для подтверждения теоретических результатов. Это было достигнуто в эксперименте Айвза–Стилвелла (1938), измеряющем α в соответствии с замедлением времени. Объединение этого значения для α с нулевым результатом Кеннеди–Торндайка показывает, что β должно принимать значение релятивистского сокращения длины. Объединение β с нулевым результатом Майкельсона–Морли показывает, что δ должно быть равно нулю. Следовательно, преобразование Лоренца с является неизбежным следствием объединения этих трех экспериментов. ^{[A 4]} ${\textstyle \varphi }$ ${\textstyle \varphi =1}$

Специальная теория относительности обычно считается решением всех измерений отрицательного эфирного дрейфа (или изотропии скорости света), включая нулевой результат Майкельсона–Морли. Было проведено много высокоточных измерений в качестве проверок специальной теории относительности и современных поисков нарушения Лоренца в фотонном , электронном , нуклонном или нейтринном секторе, и все они подтвердили относительность.

Неправильные альтернативы

Как упоминалось выше, Майкельсон изначально считал, что его эксперимент подтвердит теорию Стокса, согласно которой эфир полностью увлекается в окрестности Земли (см. Гипотеза увлечения эфира ). Однако полное увлечение эфиром противоречит наблюдаемой аберрации света и также противоречит другим экспериментам. Кроме того, Лоренц показал в 1886 году, что попытка Стокса объяснить аберрацию противоречива. ^{[A 6] [A 5]}

Более того, предположение о том, что эфир не переносится поблизости, а только внутри материи, было весьма проблематичным, как показал эксперимент Хаммара (1935). Хаммар направил одну ножку своего интерферометра через тяжелую металлическую трубу, заткнутую свинцом. Если бы эфир увлекался массой, то было бы теоретически высказано предположение, что массы запечатанной металлической трубы было бы достаточно, чтобы вызвать видимый эффект. И снова никакого эффекта не наблюдалось, поэтому теории увлечения эфиром считаются опровергнутыми.

Теория излучения Вальтера Ритца ( или баллистическая теория) также согласуется с результатами эксперимента, не требуя эфира. Теория постулирует, что свет всегда имеет одинаковую скорость относительно источника. ^{[A 28]} Однако де Ситтер отметил, что теория излучения предсказывает несколько оптических эффектов, которые не были замечены в наблюдениях двойных звезд, в которых свет от двух звезд мог быть измерен в спектрометре . Если бы теория излучения была верна, свет от звезд должен был бы испытывать необычное смещение полос из-за скорости звезд, добавляемой к скорости света, но такого эффекта не наблюдалось. Позднее Дж. Г. Фокс показал , что первоначальные эксперименты де Ситтера были несовершенны из-за затухания , ^[11] но в 1977 году Брехер наблюдал рентгеновские лучи от двойных звездных систем с аналогичными нулевыми результатами. ^[12] Кроме того, Филиппас и Фокс (1964) провели испытания наземного ускорителя частиц, специально разработанные для устранения более раннего возражения Фокса о «вымирании», результаты которого не соответствовали зависимости скорости света от источника. ^[13]

Последующие эксперименты

Моделирование уточнения Кеннеди/Иллингворта эксперимента Майкельсона–Морли. (a) Интерференционная картина Майкельсона–Морли в монохроматическом ртутном свете с темной полосой , точно центрированной на экране. (b) Полосы смещены влево на 1/100 расстояния между полосами. Крайне сложно увидеть разницу между этим рисунком и рисунком выше. (c) Небольшой шаг в одном зеркале приводит к тому, что два вида тех же полос разнесены на 1/20 расстояния между полосами слева и справа от шага. (d) Телескоп настроен на просмотр только центральной темной полосы вокруг шага зеркала. Обратите внимание на симметричное просветление относительно центральной линии. (e) Два набора полос смещены влево на 1/100 расстояния между полосами. Резкий разрыв в светимости виден поперек шага.

Хотя Майкельсон и Морли продолжили проводить разные эксперименты после своей первой публикации в 1887 году, оба продолжали активно работать в этой области. Другие версии эксперимента проводились с возрастающей сложностью. ^{[A 29] [A 30]} Морли не был убежден в своих собственных результатах и ​​продолжил проводить дополнительные эксперименты с Дейтоном Миллером с 1902 по 1904 год. И снова результат оказался отрицательным в пределах погрешности. ^{[14] [15]}

Миллер работал над все более крупными интерферометрами, достигнув кульминации в одном с 32-метровой (105 футов) (эффективной) длиной плеча, который он испытывал в разных местах, в том числе на вершине горы в обсерватории Маунт-Вилсон . Чтобы избежать возможности блокировки эфирного ветра твердыми стенами, его наблюдения на вершине горы использовали специальный навес с тонкими стенами, в основном из брезента. Из шумных, нерегулярных данных он последовательно извлекал небольшой положительный сигнал, который менялся с каждым оборотом устройства, со звездными сутками и на ежегодной основе. Его измерения в 1920-х годах составили приблизительно 10 км/с (6,2 мили/с) вместо почти 30 км/с (18,6 мили/с), ожидаемых только от орбитального движения Земли. Он оставался убежденным, что это было связано с частичным увлечением или увлечением эфиром , хотя он не пытался дать подробное объяснение. Он проигнорировал критику, демонстрирующую противоречивость его результатов и опровержение экспериментом Хаммара . ^{[A 31] [примечание 5]} Выводы Миллера считались важными в то время и обсуждались Майкельсоном, Лоренцом и другими на встрече, отчет о которой был опубликован в 1928 году. ^{[A 32]} Было достигнуто общее согласие, что для проверки результатов Миллера необходимы дополнительные эксперименты. Позже Миллер построил немагнитное устройство для устранения магнитострикции , в то время как Майкельсон построил устройство из нерасширяющегося инвара для устранения любых оставшихся тепловых эффектов. Другие экспериментаторы со всего мира повысили точность, устранили возможные побочные эффекты или и то, и другое. До сих пор никому не удалось повторить результаты Миллера, и современная экспериментальная точность исключила их. ^{[A 33]} Робертс (2006) указал, что примитивные методы обработки данных, используемые Миллером и другими ранними экспериментаторами, включая Майкельсона и Морли, были способны создавать кажущиеся периодические сигналы, даже если их не было в реальных данных. После повторного анализа исходных данных Миллера с использованием современных методов количественного анализа ошибок Робертс обнаружил, что кажущиеся сигналы Миллера статистически незначимы. ^{[A 34]}

Используя специальную оптическую схему, включающую шаг в 1/20 волны в одном зеркале, Рой Дж. Кеннеди (1926) и К. К. Иллингворт (1927) (рис. 8) преобразовали задачу обнаружения смещений полос из относительно нечувствительной задачи оценки их боковых смещений в значительно более чувствительную задачу регулировки интенсивности света по обе стороны резкой границы для равной яркости. ^{[16] [17]} Если они наблюдали неравное освещение по обе стороны ступеньки, например, на рис. 8e, они добавляли или убирали калиброванные грузы из интерферометра до тех пор, пока обе стороны ступеньки снова не становились равномерно освещенными, как на рис. 8d. Количество добавленных или удаленных грузов давало меру сдвига полос. Разные наблюдатели могли обнаруживать изменения всего от 1/1500 до 1/300 полосы. Кеннеди также провел эксперимент на горе Вильсон, обнаружив лишь около 1/10 дрейфа, измеренного Миллером, и отсутствие сезонных эффектов. ^{[A 32]}

В 1930 году Георг Йос провел эксперимент с использованием автоматизированного интерферометра с 21-метровыми (69 футов) плечами, выкованными из прессованного кварца с очень низким коэффициентом теплового расширения, который делал непрерывные фотографические записи полос полос в течение десятков оборотов аппарата. Смещения в 1/1000 полосы могли быть измерены на фотопластинках. Периодических смещений полос обнаружено не было, что установило верхний предел для эфирного ветра в 1,5 км/с (0,93 мили/с). ^[18]

В таблице ниже ожидаемые значения связаны с относительной скоростью между Землей и Солнцем 30 км/с (18,6 миль/с). Что касается скорости солнечной системы вокруг галактического центра около 220 км/с (140 миль/с) или скорости солнечной системы относительно системы покоя CMB около 370 км/с (230 миль/с), нулевые результаты этих экспериментов еще более очевидны.

Недавние эксперименты

Оптические тесты

Оптические тесты изотропии скорости света стали обычным явлением. ^{[A 35]} Новые технологии, включая использование лазеров и мазеров , значительно повысили точность измерений. (В следующей таблице только Эссен (1955), Джасейя (1964) и Шамир/Фокс (1969) являются экспериментами типа Майкельсона-Морли, т. е. сравнением двух перпендикулярных лучей. В других оптических экспериментах использовались другие методы.)

Эксперимент Майкельсона-Морли с криогенными оптическими резонаторами такой формы, которая использовалась Мюллером и др. (2003). ^[32]

Недавние эксперименты с оптическим резонатором

В начале 21-го века наблюдается всплеск интереса к выполнению точных экспериментов типа Майкельсона-Морли с использованием лазеров, мазеров, криогенных оптических резонаторов и т. д. Это во многом связано с предсказаниями квантовой гравитации, которые предполагают, что специальная теория относительности может быть нарушена в масштабах, доступных экспериментальному изучению. Первый из этих высокоточных экспериментов был проведен Брилле и Холлом (1979), в которых они проанализировали лазерную частоту, стабилизированную к резонансу вращающегося оптического резонатора Фабри-Перо . Они установили предел анизотропии скорости света, возникающей в результате движений Земли, Δ c / c  ≈ 10 ⁻¹⁵ , где Δ c — разница между скоростью света в направлениях x и y . ^[33]

По состоянию на 2015 год эксперименты с оптическими и микроволновыми резонаторами улучшили этот предел до Δ c / c  ≈ 10 ⁻¹⁸ . В некоторых из них устройства вращались или оставались неподвижными, а некоторые были объединены с экспериментом Кеннеди–Торндайка . В частности, направление и скорость Земли (около 368 км/с (229 миль/с)) относительно системы покоя реликтового излучения обычно используются в качестве опорных точек в этих поисках анизотропии.

Другие тесты Лоренц-инвариантности

⁷ Li- ЯМР- спектр LiCl ( 1M) в D2O _. Острая, нерасщепленная линия ЯМР этого изотопа лития свидетельствует об изотропии массы и пространства.

Примерами других экспериментов, не основанных на принципе Майкельсона–Морли, т. е. неоптических изотропных тестов, достигающих еще более высокого уровня точности, являются сравнение часов или эксперименты Хьюза–Древера . В эксперименте Древера 1961 года ⁷ ядер Li в основном состоянии, которые имеют полный угловой момент J  = 3/2, были разделены на четыре равноотстоящих уровня магнитным полем. Каждый переход между парой соседних уровней должен испускать фотон одинаковой частоты, что приводит к одной резкой спектральной линии. Однако, поскольку ядерные волновые функции для разных M _J имеют различную ориентацию в пространстве относительно магнитного поля, любая зависимость от ориентации, будь то от эфирного ветра или от зависимости от крупномасштабного распределения массы в пространстве (см. принцип Маха ), нарушила бы энергетические расстояния между четырьмя уровнями, что привело бы к аномальному уширению или расщеплению линии. Такого уширения не наблюдалось. Современные повторения такого рода экспериментов дали некоторые из наиболее точных подтверждений принципа лоренц-инвариантности . ^{[A 36]}

Смотрите также

• Премия Майкельсона-Морли
• Проблема движущегося магнита и проводника
• Свет (Стекло)
• ЛИГО

Ссылки

Примечания

1. Среди других уроков была необходимость контролировать вибрацию. Михельсон (1881) писал: "... из-за чрезвычайной чувствительности инструмента к вибрациям работа не могла быть продолжена в течение дня. Затем эксперимент был опробован ночью. Когда зеркала были размещены на полпути на плечах, полосы были видны, но их положение не могло быть измерено до двенадцати часов, и то только с интервалами. Когда зеркала были выдвинуты к концам плеч, полосы были видны только изредка. Таким образом, оказалось, что эксперименты не могут быть проведены в Берлине, и аппарат был соответственно перемещен в Астрофизическую обсерваторию в Потсдаме ... Здесь полосы в обычных условиях были достаточно тихими для измерения, но настолько необычайно чувствительным был инструмент, что при ударе по мостовой примерно в 100 метрах от обсерватории полосы полностью исчезали!"
2. Майкельсон (1881) писал: «... натриевое пламя, помещенное в точку a , сразу же создавало интерференционные полосы. Затем их можно было изменять по ширине, положению или направлению легким движением пластины b , и когда они становились удобной ширины и максимальной резкости, натриевое пламя удалялось и лампа снова заменялась. Затем винт m медленно поворачивался до тех пор, пока полосы не появлялись снова. Затем они, конечно, окрашивались, за исключением центральной полосы, которая была почти черной».
3. Если использовать полупосеребренное зеркало в качестве светоделителя, отраженный луч будет претерпевать иное количество отражений от передней поверхности, чем прошедший луч. При каждом отражении от передней поверхности свет будет претерпевать инверсию фазы. Поскольку два луча претерпевают разное количество инверсий фазы, когда длины путей двух лучей совпадают или отличаются на целое число длин волн (например, 0, 1, 2 ...), будет иметь место деструктивная интерференция и слабый сигнал на детекторе. Если длины путей лучей отличаются на полуцелое число длин волн (например, 0,5, 1,5, 2,5 ...), конструктивная интерференция даст сильный сигнал. Результаты будут противоположными, если использовать кубический светоделитель, потому что кубический светоделитель не делает различий между отражением от передней и задней поверхности.
4. Натриевый свет создает рисунок полос, который отображает циклы размытости и резкости, которые повторяются каждые несколько сотен полос на расстоянии приблизительно в миллиметр. Этот рисунок обусловлен тем, что желтая линия натрия D на самом деле является дублетом, отдельные линии которого имеют ограниченную длину когерентности . После выравнивания интерферометра для отображения центральной части самого резкого набора полос исследователь переключался на белый свет.
5. Тирринг (1926), а также Лоренц указали, что результаты Миллера не соответствовали даже самым основным критериям, необходимым для веры в их небесное происхождение, а именно, что азимут предполагаемого дрейфа должен показывать ежедневные изменения, соответствующие вращению источника вокруг небесного полюса. Вместо этого, в то время как наблюдения Миллера показывали ежедневные изменения, их колебания в одном наборе экспериментов могли бы центрироваться, скажем, вокруг линии северо-запад-юго-восток.

Эксперименты

1. Майкельсон, Альберт А.; Морли, Эдвард В. (1887). «Об относительном движении Земли и светоносного эфира»  . American Journal of Science . 34 (203): 333–345. Bibcode : 1887AmJS...34..333M. doi : 10.2475/ajs.s3-34.203.333. S2CID  124333204.
2. Eisele, Ch.; Nevsky, A. Yu.; Schillerv, 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. PMID  19792767. S2CID  33875626. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
3. Herrmann, S.; Senger, A.; Möhle, K.; Nagel, M.; Kovalchuk, EV; Peters, A. (2009). "Эксперимент с вращающейся оптической полостью, проверяющий инвариантность Лоренца на уровне 10−17 ^" . Physical Review D. 80 ( 100): 105011. arXiv : 1002.1284 . Bibcode : 2009PhRvD..80j5011H. doi : 10.1103/PhysRevD.80.105011. S2CID  118346408.
4. Майкельсон, Альберт А. (1881). «Относительное движение Земли и светоносного эфира». American Journal of Science . 22 (128): 120–129. Bibcode : 1881AmJS...22..120M. doi : 10.2475/ajs.s3-22.128.120. S2CID  130423116.
5. Майкельсон, Альберт А.; Морли, Эдвард В. (1886). «Влияние движения среды на скорость света»  . Am. J. Sci . 31 (185): 377–386. Bibcode :1886AmJS...31..377M. doi :10.2475/ajs.s3-31.185.377. S2CID  131116577.
6. Михельсон, Альберт А.; Морли, Эдвард У. (1887). «О методе превращения длины волны натриевого света в фактический и практический стандарт длины». American Journal of Science . 34 (204): 427–430. Bibcode :1887AmJS...34..427M. doi :10.2475/ajs.s3-34.204.427. S2CID  130588977. Архивировано из оригинала 2017-06-11 . Получено 2015-01-02 .
7. Майкельсон, Альберт А.; Морли, Эдвард У. (1889). «О возможности установления световой волны в качестве окончательного стандарта длины». American Journal of Science . 38 (225): 181–6. doi :10.2475/ajs.s3-38.225.181. S2CID  130479074. Архивировано из оригинала 17.11.2017 . Получено 02.01.2015 .
8. "The Mechanical Universe, Episode 41". YouTube . Архивировано из оригинала 2021-11-18.
9. Serway, Raymond; Jewett, John (2007). Физика для ученых и инженеров, том 2 (7-е иллюстрированное издание). Cengage Learning. стр. 1117. ISBN 978-0-495-11244-0.Выдержка из страницы 1117
10. Кеннеди, Р. Дж.; Торндайк, Э. М. (1932). «Экспериментальное установление относительности времени». Phys. Rev. 42 ( 3): 400–408. Bibcode :1932PhRv...42..400K. doi :10.1103/PhysRev.42.400.
11. Фокс, Дж. Г. (1965), «Доказательства против теорий эмиссии», Американский журнал физики , 33 (1): 1–17, Bibcode : 1965AmJPh..33....1F, doi : 10.1119/1.1971219.
12. Брехер, К. (1977). «Независима ли скорость света от скорости источника». Physical Review Letters . 39 (17): 1051–1054. Bibcode : 1977PhRvL..39.1051B. doi : 10.1103/PhysRevLett.39.1051.
13. Филиппас, ТА; Фокс, Дж. Г. (1964). «Скорость гамма-лучей от движущегося источника». Physical Review . 135 (4B): B1071–1075. Bibcode : 1964PhRv..135.1071F. doi : 10.1103/PhysRev.135.B1071.
14. Morley, Edward W. & Miller, Dayton C. (1904). «Выдержка из письма, датированного Кливлендом, штат Огайо, 5 августа 1904 года, лорду Кельвину от профессоров Эдварда У. Морли и Дейтона К. Миллера»  . Philosophical Magazine . 6. 8 (48): 753–754. doi :10.1080/14786440409463248.
15. Morley, Edward W. & Miller, Dayton C. (1905). "Отчет об эксперименте по обнаружению эффекта Фицджеральда–Лоренца"  . Труды Американской академии искусств и наук . XLI (12): 321–8. doi :10.2307/20022071. JSTOR  20022071.
16. Kennedy, Roy J. (1926). "Уточнение эксперимента Майкельсона–Морли". Труды Национальной академии наук . 12 (11): 621–629. Bibcode :1926PNAS...12..621K. doi : 10.1073/pnas.12.11.621 . PMC 1084733 . PMID  16577025. 
17. Illingworth, KK (1927). "Повторение эксперимента Майкельсона–Морли с использованием уточнения Кеннеди" (PDF) . Physical Review . 30 (5): 692–696. Bibcode :1927PhRv...30..692I. doi :10.1103/PhysRev.30.692. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
18. Йоос, Г. (1930). «Die Jenaer Wiederholung des Michelsonversuchs». Аннален дер Физик . 399 (4): 385–407. Бибкод : 1930АнП...399..385J. дои : 10.1002/andp.19303990402.
19. Miller, Dayton C. (1925). «Эксперименты по эфирному ветру на горе Вильсон». Труды Национальной академии наук . 11 (6): 306–314. Bibcode :1925PNAS...11..306M. doi : 10.1073/pnas.11.6.306 . PMC 1085994. PMID  16587007 . 
20. Томашек, Р. (1924). «Über das Verhalten des Lichtes außerirdischer Lichtquellen». Аннален дер Физик . 378 (1): 105–126. Бибкод : 1924АнП...378..105Т. дои : 10.1002/andp.19243780107.
21. Пиккар, А.; Стахель, Э. (1926). «Опыт Майкельсона, реализованный на свободном баллоне». Комптес Рендус . 183 (7): 420–421.
22. Пиккар, А.; Стахель, Э. (1927). «Новые результаты получены по опыту Майкельсона». Комптес Рендус . 184 : 152.
23. Пиккар, А.; Стахель, Э. (1927). «Отсутствие эфира в Риги». Комптес Рендус . 184 : 1198–1200.
24. Майкельсон, А.А.; Пиз, Ф.Г.; Пирсон, Ф. (1929). «Результаты повторения эксперимента Майкельсона–Морли». Журнал оптического общества Америки . 18 (3): 181. Bibcode : 1929JOSA...18..181M. doi : 10.1364/josa.18.000181.
25. Эссен, Л. (1955). «Новый эксперимент по эфирному дрейфу». Nature . 175 (4462): 793–794. Bibcode :1955Natur.175..793E. doi :10.1038/175793a0. S2CID  4188883.
26. Cedarholm, JP; Bland, GF; Havens, BL; Townes, CH (1958). «Новый экспериментальный тест специальной теории относительности». Physical Review Letters . 1 (9): 342–343. Bibcode : 1958PhRvL...1..342C. doi : 10.1103/PhysRevLett.1.342. S2CID  26444427.
27. Cedarholm, JP; Townes, CH (1959). «Новый экспериментальный тест специальной теории относительности». Nature . 184 (4696): 1350–1351. Bibcode :1959Natur.184.1350C. doi :10.1038/1841350a0. S2CID  26444427.
28. Jaseja, TS; Javan, A.; Murray, J.; Townes, CH (1964). «Проверка специальной теории относительности или изотропии пространства с помощью инфракрасных мазеров». Phys. Rev. 133 ( 5a): 1221–1225. Bibcode : 1964PhRv..133.1221J. doi : 10.1103/PhysRev.133.A1221.
29. Шамир, Дж.; Фокс, Р. (1969). «Новая экспериментальная проверка специальной теории относительности». Il Nuovo Cimento B. 62 ( 2): 258–264. Bibcode : 1969NCimB..62..258S. doi : 10.1007/BF02710136. S2CID  119046454.
30. Триммер, Уильям С.; Байерлейн, Ральф Ф.; Фаллер, Джеймс Э.; Хилл, Генри А. (1973). «Экспериментальный поиск анизотропии скорости света». Physical Review D. 8 ( 10): 3321–3326. Bibcode : 1973PhRvD...8.3321T. doi : 10.1103/PhysRevD.8.3321.
31. Триммер, Уильям С.; Байерлейн, Ральф Ф.; Фаллер, Джеймс Э.; Хилл, Генри А. (1974). «Erratum: Experimental search for anisotropy in the speed of light» (Опечатка: Экспериментальный поиск анизотропии скорости света). Physical Review D. 9 ( 8): 2489. Bibcode : 1974PhRvD...9R2489T. doi : 10.1103/PhysRevD.9.2489.2 .
32. Мюллер, Х.; Херрманн, С.; Браксмайер, К.; Шиллер, С.; Петерс, А. (2003). «Современный эксперимент Майкельсона–Морли с использованием криогенных оптических резонаторов». Phys. Rev. Lett . 91 (2): 020401. arXiv : physics/0305117 . Bibcode :2003PhRvL..91b0401M. doi :10.1103/PhysRevLett.91.020401. PMID  12906465. S2CID  15770750.
33. Brillet, A.; Hall, JL (1979). «Улучшенный лазерный тест изотропии пространства». Phys. Rev. Lett . 42 (9): 549–552. Bibcode : 1979PhRvL..42..549B. doi : 10.1103/PhysRevLett.42.549.
34. Wolf; et al. (2003). "Tests of Lorentz Invariance using a Microwave Resonator" (PDF) . Physical Review Letters . 90 (6): 060402. arXiv : gr-qc/0210049 . Bibcode :2003PhRvL..90f0402W. doi :10.1103/PhysRevLett.90.060402. hdl :2440/101285. PMID  12633279. S2CID  18267310. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
35. Wolf, P.; Tobar, ME; Bize, S.; Clairon, A.; Luiten, AN; Santarelli, G. (2004). «Резонаторы шепчущей галереи и тесты лоренц-инвариантности». Общая теория относительности и гравитация . 36 (10): 2351–2372. arXiv : gr-qc/0401017 . Bibcode : 2004GReGr..36.2351W. doi : 10.1023/B:GERG.0000046188.87741.51. S2CID  8799879.
36. Wolf, P.; Bize, S.; Clairon, A.; Santarelli, G.; Tobar, ME; Luiten, AN (2004). "Улучшенный тест инвариантности Лоренца в электродинамике" (PDF) . Physical Review D . 70 (5): 051902. arXiv : hep-ph/0407232 . Bibcode :2004PhRvD..70e1902W. doi :10.1103/PhysRevD.70.051902. hdl :2440/101283. S2CID  19178203. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
37. Антонини, П.; Охапкин, М.; Гёклю, Э.; Шиллер, С. (2005). «Проверка постоянства скорости света с вращающимися криогенными оптическими резонаторами». Physical Review A. 71 ( 5): 050101. arXiv : gr-qc/0504109 . Bibcode : 2005PhRvA..71e0101A. doi : 10.1103/PhysRevA.71.050101. S2CID  119508308.
38. Stanwix, PL; Tobar, ME; Wolf, P.; Susli, M.; Locke, CR; Ivanov, EN; Winterflood, J.; Kann, van F. (2005). "Test of Lorentz Invariance in Electrodynamics Using Rotating Cryogenic Sapphire Microwave Oscillators". Physical Review Letters . 95 (4): 040404. arXiv : hep-ph/0506074 . Bibcode : 2005PhRvL..95d0404S. doi : 10.1103/PhysRevLett.95.040404. PMID  16090785. S2CID  14255475.
39. Herrmann, S.; Senger, A.; Kovalchuk, E.; Müller, H.; Peters, A. (2005). "Test of the Isotropy of the Speed ​​of Light Using a Continuously Rotating Optical Resonator". Phys. Rev. Lett . 95 (15): 150401. arXiv : physics/0508097 . Bibcode :2005PhRvL..95o0401H. doi :10.1103/PhysRevLett.95.150401. PMID  16241700. S2CID  15113821.
40. Stanwix, PL; Tobar, ME; Wolf, P.; Locke, CR; Ivanov, EN (2006). "Улучшенный тест инвариантности Лоренца в электродинамике с использованием вращающихся криогенных сапфировых осцилляторов". Physical Review D. 74 ( 8): 081101. arXiv : gr-qc/0609072 . Bibcode : 2006PhRvD..74h1101S. doi : 10.1103/PhysRevD.74.081101. S2CID  3222284.
41. Мюллер, Х.; Стэнвикс, Пол Л.; Тобар, М.Е.; Иванов, Э.; Вольф, П.; Херрманн, С.; Зенгер, А.; Ковальчук, Э.; Петерс, А. (2007). «Проверки относительности с помощью дополнительных вращательных экспериментов Майкельсона–Морли». Phys. Rev. Lett . 99 (5): 050401. arXiv : 0706.2031 . Bibcode :2007PhRvL..99e0401M. doi :10.1103/PhysRevLett.99.050401. PMID  17930733. S2CID  33003084.
42. Nagel, M.; Parker, S.; Kovalchuk, E.; Stanwix, P.; Hartnett, JV; Ivanov, E.; Peters, A.; Tobar, M. (2015). "Прямой наземный тест симметрии Лоренца в электродинамике до 10−18". Nature Communications . 6 : 8174. arXiv : 1412.6954 . Bibcode : 2015NatCo...6.8174N. doi : 10.1038/ncomms9174. PMC 4569797 . PMID  26323989. 

Библиография (ссылки серии «А»)

1. Блюм, Эдвард К.; Лотоцкий, Сергей В. (2006). Математика физики и техники. World Scientific. стр. 98. ISBN 978-981-256-621-8., Глава 2, стр. 98
2. Staley, Richard (2009), "Альберт Майкельсон, скорость света и эфирный дрейф", поколение Эйнштейна. Истоки революции в теории относительности , Чикаго: Издательство Чикагского университета, ISBN 978-0-226-77057-4
3. Альбрехт Фёльсинг (1998). Альберт Эйнштейн: Биография . Penguin Group . ISBN 0-14-023719-4.
4. Robertson, HP (1949). «Постулат против наблюдения в специальной теории относительности». Reviews of Modern Physics . 21 (3): 378–382. Bibcode :1949RvMP...21..378R. doi : 10.1103/RevModPhys.21.378 . Архивировано из оригинала (PDF) 24.10.2018.
5. Уиттекер, Эдмунд Тейлор (1910). История теорий эфира и электричества (1-е изд.). Дублин: Longman, Green and Co.
6. Янссен, Мишель; Стахель, Джон (2010). "Оптика и электродинамика движущихся тел" (PDF) . В Стахель, Джон (ред.). Going Critical . Springer. ISBN 978-1-4020-1308-9. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09.
7. Лауб, Якоб (1910). «Über die Experimentellen Grundlagen des Relativitätsprinzips (Об экспериментальных основах принципа относительности)». Jahrbuch der Radioaktivität und Elektronik . 7 : 405–463.
8. Максвелл, Джеймс Клерк (1878), «Эфир»  , в Baynes, TS (ред.), Encyclopaedia Britannica , т. 8 (9-е изд.), Нью-Йорк: Charles Scribner's Sons, стр. 568–572
9. Максвелл, Джеймс Клерк (1880), «О возможном способе обнаружения движения Солнечной системы посредством светоносного эфира»  , Nature , 21 (535): 314–5, Bibcode : 1880Natur..21S.314., doi : 10.1038/021314c0
10. Miller, AI (1981). Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна. Возникновение (1905) и ранняя интерпретация (1905–1911). Чтение: Addison–Wesley. стр. 24. ISBN 978-0-201-04679-3.
11. Фикингер, Уильям (2005). Физика в исследовательском университете: Case Western Reserve, 1830–1990 . Кливленд: Case Western Reserve University. стр. 18–22, 48. ISBN 978-0977338603. Общежитие располагалось на ныне практически незанятом пространстве между биологическим корпусом и спортзалом Адельберта, оба из которых по-прежнему находятся на территории кампуса CWRU.
12. Хамерла, Ральф Р. (2006). Американский ученый на переднем крае исследований: Эдвард Морли, Сообщество и радикальные идеи в науке девятнадцатого века. Springer. С. 123–152. ISBN 978-1-4020-4089-4.
13. Miller, Dayton C. (1933). «Эксперимент по эфирному ветру и определение абсолютного движения Земли». Reviews of Modern Physics . 5 (3): 203–242. Bibcode :1933RvMP....5..203M. doi :10.1103/RevModPhys.5.203. S2CID  4119615.
14. Шенкленд, RS (1964). «Эксперимент Майкельсона–Морли». American Journal of Physics . 31 (1): 16–35. Bibcode : 1964AmJPh..32...16S. doi : 10.1119/1.1970063.
15. Фейнман, РП (1970), «Эксперимент Майкельсона–Морли (15-3)», Лекции Фейнмана по физике , т. 1, Чтение: Эддисон Уэсли Лонгман, ISBN 978-0-201-02115-8
16. Альберт Шэдоуиц (1988). Специальная теория относительности (Переиздание издания 1968 года). Courier Dover Publications. С. 159–160. ISBN 978-0-486-65743-1.
17. Теллер, Эдвард ; Теллер, Венди; Талли, Уилсон (2002), Беседы о темных тайнах физики, Базовые книги, стр. 10–11, ISBN 978-0786752379
18. Шумахер, Рейнхард А. (1994). «Специальная теория относительности и интерферометр Майкельсона-Морли». Американский журнал физики . 62 (7): 609–612. Bibcode : 1994AmJPh..62..609S. doi : 10.1119/1.17535.
19. Лоренц, Хендрик Антон (1895), Попытка теории электрических и оптических явлений в движущихся телах  , Лейден: EJ Brill, Bibcode : 1895eobk.book.....L
20. Lorentz, Hendrik Antoon (1904), «Электромагнитные явления в системе, движущейся со скоростью, меньшей скорости света»  , Труды Королевской Нидерландской академии искусств и наук , 6 : 809–831, Bibcode : 1903KNAB....6..809L
21. Пуанкаре, Анри (1905), «О динамике электрона»  , Comptes Rendus , 140 : 1504–1508(перевод Викиресурса)
22. Эйнштейн, А (30 июня 1905 г.). «Zur Elektrodynamic bewegter Körper». Аннален дер Физик (на немецком языке). 17 (10): 890–921. Бибкод : 1905АнП...322..891Е. дои : 10.1002/andp.19053221004 .Перевод на английский язык: Perrett, W. Walker, J. (ред.). "On the Electrodynamics of Moving Bodies". Перевод Jeffery, GB. Fourmilab . Получено 27.11.2009 .
23. Эйнштейн, А. (1916), Относительность: Специальная и общая теория  , Нью-Йорк: H. Holt and Company
24. Стачел, Джон (1982), «Эйнштейн и Майкельсон: контекст открытия и контекст оправдания», Astronomische Nachrichten , 303 (1): 47–53, Бибкод : 1982AN....303...47S, doi :10.1002/asna.2103030110
25. Майкл Полани , «Личное знание: к посткритической философии» , ISBN 0-226-67288-3 , сноска на стр. 10–11: Эйнштейн сообщает через доктора Н. Бальзаса в ответ на запрос Полани, что «эксперимент Майкельсона–Морли не сыграл никакой роли в обосновании теории» и «…теория относительности вообще не была основана для объяснения ее результатов».[1] 
26. Йерун, ван Донген (2009), «О роли эксперимента Майкельсона–Морли: Эйнштейн в Чикаго», Архив истории точных наук , 63 (6): 655–663, arXiv : 0908.1545 , Bibcode : 2009arXiv0908.1545V, doi : 10.1007/s00407-009-0050-5, S2CID  119220040
27. Mansouri, R.; Sexl, RU (1977). "Проверочная теория специальной теории относительности: III. Тесты второго порядка". Gen. Rel. Gravit . 8 (10): 809–814. Bibcode :1977GReGr...8..809M. doi :10.1007/BF00759585. S2CID  121834946.
28. Нортон, Джон Д. (2004). «Исследования Эйнштейна по галилеевской ковариантной электродинамике до 1905 года». Архив для History of Exact Sciences . 59 (1): 45–105. Bibcode : 2004AHES...59...45N. doi : 10.1007/s00407-004-0085-6. S2CID  17459755.
29. Свенсон, Лойд С. (1970). «Эксперименты Майкельсона–Морли–Миллера до и после 1905 года». Журнал истории астрономии . 1 (2): 56–78. Bibcode : 1970JHA.....1...56S. doi : 10.1177/002182867000100108. S2CID  125905904.
30. Свенсон, Лойд С. младший (2013) [1972]. Эфирный эфир: история экспериментов Майкельсона-Морли-Миллера по эфирному дрейфу, 1880–1930. Издательство Техасского университета. ISBN 978-0-292-75836-0.
31. Тирринг, Ганс (1926). "Эксперименты профессора Миллера по эфирному ветру". Nature . 118 (2959): 81–82. Bibcode :1926Natur.118...81T. doi :10.1038/118081c0. S2CID  4087475.
32. Michelson, AA; et al. (1928). «Конференция по эксперименту Майкельсона–Морли, состоявшаяся в Маунт-Вилсон, февраль 1927 г.». Astrophysical Journal . 68 : 341–390. Bibcode :1928ApJ....68..341M. doi : 10.1086/143148 .
33. Шенкленд, Роберт С.; и др. (1955). «Новый анализ интерферометрических наблюдений Дейтона К. Миллера». Reviews of Modern Physics . 27 (2): 167–178. Bibcode : 1955RvMP...27..167S. doi : 10.1103/RevModPhys.27.167.
34. Робертс, Т.Дж. (2006). «Объяснение аномального результата «эфирного ветра» Дейтона Миллера». arXiv : physics/0608238 .
35. FAQ по теории относительности (2007): Какова экспериментальная основа специальной теории относительности?
36. Хауган, Марк П.; Уилл, Клиффорд М. (май 1987). «Современные тесты специальной теории относительности» (PDF) . Physics Today . 40 (5): 67–76. Bibcode :1987PhT....40e..69H. doi :10.1063/1.881074. Архивировано (PDF) из оригинала 2022-10-09 . Получено 14 июля 2012 .

Внешние ссылки

• Цитаты, связанные с экспериментом Майкельсона–Морли в Викицитатнике
• Медиа, связанные с экспериментом Майкельсона-Морли на Wikimedia Commons
• Математический анализ эксперимента Майкельсона-Морли на Wikibooks
• Робертс, Т.; Шлейф, С. (2007). Длугош, Дж. М. (ред.). «Какова экспериментальная основа специальной теории относительности?». Часто задаваемые вопросы по физике Usenet . Калифорнийский университет в Риверсайде .
• "Эпизод 41: Эксперимент Майкельсона-Морли — Механическая Вселенная". YouTube . caltech. 19 декабря 2016 г.