Опыт Майкельсона и Морли

Для проведения опыта Майкельсон собрал интерферометр (рис. 5.1). В одном из четырех его колен находился источник света, в другом, перпендикулярном первому – окуляр. В концах двух других колен находились зеркала, которые отражали лучи, пришедшие от полупрозрачной пластины, разделяющей луч, идущий от источника света, на два когерентных луча. Эта пластина находилась в центре интерферометра.

Когерентные лучи, пройдя пути 2 l₁ и 2 l₂, вновь встречаются в центре, где результат их наложения наблюдается в окуляр. Скорости u₁ первого и u₂ второго луча должны отличаться, так как в первом колене луч движется, предположим, параллельно движению Земли и его скорость c должна складываться со скоростью движения Земли u алгебраически (рис. 5.2а). Луч во втором колене тогда идет перпендикулярно движению Земли, и его скорость должна складываться со скоростью Земли u геометрически, как показано на рис. 5.2б. Приобретая разность хода за счет разных путей и скоростей, лучи, накладываясь друг на друга, дают интерференционную картину, то есть в окуляре будет виден спектр или чередование темных и светлых полос.

Свет есть электромагнитная волна, то есть распространяющиеся переменные магнитное и электрическое поля. Напряженности этих полей Е и Н будут периодическими функциями двух переменных – времени t и координаты l, вдоль которой распространяется волна.

Опустив уравнения, характеризующие изменения напряженности магнитного поля, запишем уравнения волн, соответствующих первому и второму лучам:

(5.1)

Выражения, стоящие под знаком косинусов – фазы лучей. Если их разность кратна 2p:

,

(5.2)

то будет наблюдаться максимум. Коэффициент кратности k носит название порядка спектра.

По длине волны и по порядку спектра, то есть по номеру того максимума, который установится против центральной риски окуляра прибора, можно найти Dj – разностьфаз когерентных лучей, приобретенную ими с момента разделения одного луча на два. Уравнение (5.2) содержит две неизвестные величины u₁ и u₂, зная которые, можно найти скорость движения Земли.

Для составления второго уравнения, содержащего те же две неизвестные, Майкельсон поменял положения колен 1 и 2: второе колено он поставил перпендикулярно движению земли, а второе – параллельно. Скорость луча в первом колене стала u₂, а во втором колене – u₁. Соответственно разность фаз должна измениться:

,

(5.3)

и против центральной риски прибора установится другой максимум.

Решая совместно уравнения (5.2) и (5.3), Майкельсон рассчитывал найти u₁ и u₂ и по ним рассчитать скорость Земли относительно эфира. Но, против всех ожиданий, оказалось, что при повороте прибора никаких изменений интерференционной картины не произошло, то есть Dj ₁ = Dj ₂, что выполнимо лишь при условии, что скорости света в обоих коленах прибора равны, то есть u₁ = u₂. Полученный результат не только не позволил определить скорость движения Земли, но и поставил в тупик всех физиков того времени: как объяснить равенствоскоростей u₁ и u ₂?