Φυσική Θετικών Σπουδών & Σπουδών Υγείας Γ΄ τάξη Γενικού Λυκείου (ΤΕΥΧΟΣ Γ΄)
6-2 ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ MICHELSON - MORLEY

Πριν διατυπώσει ο Einstein τη θεωρία της σχετικότητας, θεωρούσαν ότι το φως, όπως συμβαίνει και με τον ήχο, χρειάζεται κάποιο μέσο για να διαδοθεί. Υπέθεταν ότι υπήρχε ένα μέσον, ο αιθέρας, που γέμιζε ολόκληρο το σύμπαν και στο οποίο διαδίδεται το φως.

Όταν ο επιβάτης ενός αυτοκινήτου πλησιάζει με ταχύτητα υ μια πηγή ήχου, ο ήχος διαδίδεται ως προς αυτόν με ταχύτητα υηχου + υ ενώ όταν απομακρύνεται από μια πηγή ήχου η ταχύτητα διάδοσης του ήχου ως προς αυτόν είναι υηχου + υ.  Εάν το φως διαδιδόταν κατά ανάλογο τρόπο, η κίνηση ενός παρατηρητή προς ή από μια πηγή φωτός θα επηρέαζε την ταχύτητα του φωτός, όπως την αντιλαμβάνεται ο παρατηρητής.
Σχ. 6.1 Ο ήχος διαδίδεται με ταχύτητα υηχου + υ ως προς τον οδηγό όταν το αυτοκίνητο πλησιάζει την πηγή και με ταχύτητα υηχου - υ όταν απομακρύνεται από αυτή.

To 1887, στις Η.Π.Α., οι A.A. Michelson (Μάικελσον 1852-1931) και E.W. Morley (Μόρλεϊ 1838-1923) σχεδίασαν και εκτέλεσαν ένα ιδιοφυές πείραμα για να μετρήσουν την ταχύτητα της Γης. Στο πείραμα αυτό έγινε προσπάθεια να μετρηθούν διαφορές στην ταχύτητα του φωτός που οφείλονται στην κίνηση της Γης.

Το πείραμα αυτό αποδείχτηκε επαναστατικό γιατί, πέρα από τις επιδιώξεις των εμπνευστών του, αποκάλυψε την παράξενη φύση του φωτός.

Η κεντρική ιδέα των Michelson - Morley ήταν ότι αν δυο δέσμες μονοχρωματικού φωτός συμβάλουν δημιουργούν ένα σύστημα κροσσών συμβολής. Αν με οποιονδήποτε τρόπο μεταβάλουμε τη διαφορά φάσης ανάμεσα στις δέσμες οι κροσσοί συμβολής θα εμφανισθούν μετατοπισμένοι. Τις θέσεις των κροσσών συμβολής και, κατ' επέκταση, τις ενδεχόμενες μετατοπίσεις τους μπορούμε να τις προσδιορίσουμε με μεγάλη ακρίβεια με τη βοήθεια ενός συμβολόμετρου.













Σχ. 6.1 Ο ήχος διαδίδεται με ταχύτητα υηχου + υ ως προς τον οδηγό όταν το αυτοκίνητο πλησιάζει την πηγή και με ταχύτητα υηχου - υ  όταν απομακρύνεται από αυτή.

Εικ. 6.3 Michelson (1852-1931). Αμερικανός πρωσικής καταγωγής. Σταδιοδρομία στο αμερικάνικο ναυτικό και παράλληλα λαμπρή επιστημονική σταδιοδρομία. Ο πρώτος Αμερικανός που κέρδισε το βραβείο Νόμπελ.
Εικ. 6.3 Michelson (1852-1931). Αμερικανός πρωσικής καταγωγής. Σταδιοδρομία στο αμερικάνικο ναυτικό και παράλληλα λαμπρή επιστημονική σταδιοδρομία. Ο πρώτος Αμερικανός που κέρδισε το βραβείο Νόμπελ.

Σχ. 6.2 (α) Το συμβολόμετρο του Michelson. (β) Ένα σύγχρονο (γ) Εικόνα κροσσών συμβολής από συμβολόμετρο

                                    Σχ. 6.2 (α) Το συμβολόμετρο του Michelson. (β) Ένα σύγχρονο   (γ) Εικόνα κροσσών συμβολής από συμβολόμετρο









Σχ. 6.3 Η πορεία των φωτεινών ακτίνων στο συμβολόμετρο Michelson.
Σχ. 6.3 Η πορεία των φωτεινών ακτίνων στο συμβολόμετρο Michelson.

Το συμβολόμετρο του πειράματος (σχ. 6.2α) περιλαμβάνει μια τράπεζα που μπορεί να περιστρέφεται, μια πηγή μονοχρωματικού φωτός (Π), έναν ανιχνευτή (Α) με τον οποίο παρατηρούμε τους κροσσούς συμβολής δυο κάτοπτρα (Μ1, Μ2) κι ένα ημικάτοπτρο - διαιρέτη δέσμης (Δ). Με ειδικές διατάξεις (μi- κρομετρικούς κοχλίες) μπορούμε να μεταβάλλουμε τις αποστάσεις μεταξύ των στοιχείων του συμβολόμετρου με πολύ μεγάλη ακρίβεια.

Η πηγή (σχ. 6.3) παράγει μια μονοχρωματική δέσμη φωτός, ένα τμήμα της οποίας ανακλάται στο ημικάτοπτρο και φτάνει στο κάτοπτρο Μ1 ενώ το υπόλοιπο της δέσμης διαθλάται σ' αυτό και φτάνει στο κάτοπτρο Μ2. Στον ανιχνευτή καταλήγουν δύο δέσμες: αυτή που ανακλάται στο Μ1 και στη συνέχεια διαθλάται στο ημικάτοπτρο και αυτή που ανακλάται πρώτα στο Μ2 και μετά στο ημικάτοπτρο. Οι δέσμες συμβάλλουν και δίνουν μια εικόνα κροσσών συμβολής όπως αυτή που φαίνεται στο σχήμα 6.2γ. Συνοπτικά οι διαδρομές που διανύουν οι συμβάλλουσες δέσμες είναι  ΠΔΜ1ΔΑ και ΠΔΜ2ΔΑ.

Ρυθμίζουμε τις αποστάσεις ΠΔ, ΔΜ1, ΔΜ2,  ΔΑ να είναι όλες ακριβώς ίσες με L. Έστω ότι ο άξονας ΠΔΜ2 είναι παράλληλος με την ταχύτητα της Γης και ότι η μονοχρωματική δέσμη εκπέμπεται με φορά αντίθετη αυτής της κίνησης της Γης. Υπενθυμίζουμε ότι το τραπέζι μπορεί να στρέφεται επομένως υπάρχει κάποια θέση του τραπεζιού για την οποία θα συμβαίνει αυτό. Η Γη κινείται στο διάστημα με μέση ταχύτητα υ = 30 x 103m/s.

Σύμφωνα με τους μετασχηματισμούς του Γαλιλαίου στον άξονα ΠΔΜ2 η ταχύτητα του φωτός ως προς τη Γη θα έπρεπε να είναι c + υ για τη μετάβασή του από το Π προς το Μ2 και c - υ για τη μετάβασή του από το Μ2 προς το Π. (σχ. 6.4)Εικόνα

                                                                      Σχ. 6.4

Στον άξονα ΑΔΜ1 το φως έπρεπε, να διαδίδεται και προς τις δυο κατευθύνσειςσύμφωνα με τους μετασχηματισμούς του Γαλιλαίου, με ταχύτηταΕικόνα (σχ.6.4).

Ο χρόνος που χρειάζεται το φως για να διανύσει τη διαδρομή ΠΔΜ2ΔΑ θα είναι

Εικόνα

ενώ ο χρόνος που χρειάζεται το φως για να διανύσει τη διαδρομή ΠΔΜ1ΔΑ θα είναι

Εικόνα

Η διαφορά Εικόνα

είναι υπεύθυνη για τη διαφορά φάσης με την οποία φτάνουν τα δυο τμήματα της δέσμης στον ανιχνευτή με αποτέλεσμα τη δημιουργία των κροσσών συμβολής.

Κατά τη διάρκεια του πειράματος το συμβολόμετρο περιστρεφόταν κατά 90° για να αλλάξει η ταχύτητα του φωτός ως προς ένα από τους άξονες. Η περιστροφή έπρεπε να είχε ως αποτέλεσμα τη μετατόπιση των κροσσών συμβολής. Ωστόσο δεν παρατηρήθηκε καμιά μετατόπιση. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε πολλές φορές, δίνοντας πάντα το ίδιο αποτέλεσμα.

Το αποτέλεσμα του πειράματος Michelson - Morley προβλημάτισε πολύ τους φυσικούς μέχρι το 1905 οπότε εξηγήθηκε πλήρως από τον Einstein με την ειδική θεωρία της σχετικότητας.