Experimentul Michelson-Morley

De la Wikipedia, enciclopedia liberă

Date din experimentul Michelson-Morley

Experimentul Michelson–Morley, unul din cele mai importante şi celebre experimente din istoria fizicii, a fost efectuat în 1887 de Albert Michelson şi Edward Morley la ceea ce este astăzi Case Western Reserve University. Este în general considerată ca fiind prima dovadă solidă împotriva teoriei eterului. Experienţa aceasta a fost numită şi "punctul de plecare al aspectelor teoretice ale celei de-a doua revoluţii ştiinţifice."^[1] Pentru munca sa, Albert Michelson a primit Premiul Nobel pentru Fizică în 1907.

[modifică] Teoria eterului şi măsurătorile

Teoriile din fizică de la sfârşitul secolului al XIX-lea postulau că, aşa cum undele de apă au nevoie de un mediu prin care să se deplaseze (apa), iar undele sonore au nevoie de un mediu prin care să se deplaseze (aer sau apă), aşa şi undele luminoase aveau nevoie de un mediu, numit "eter luminifer," sau "eter universal." Deoarece lumina poate călători prin vid, s-a presupus că vidul trebuie să conţină mediul prin care se deplasează lumina. Întrucât viteza luminii este atât de mare, construirea unui experiment care să detecteze prezenţa şi proprietăţile acestui eter necesitau ingeniozitate deosebită.

O descriere a conceptului de "vânt eteric."

În fiecare an, Pământul parcurge o distanţă uriaşă în orbita sa în jurul Soarelui, la o viteză de aproximativ 30 km/secundă sau peste 108.000 km pe oră. Soarele însuşi se deplasează în jurul centrului galaxiei la o viteză şi mai mare, şi sunt şi alte mişcări, la nivele superioare ale structurii universului. Deoarece Pământul este în mişcare, era de aşteptat ca curgerea eterului în jurul Pământului să producă un "vânt eteric" detectabil. Deşi ar fi posibil, teoretic, ca mişcarea Pământului să fie egală cu cea a eterului la un anumit moment de timp, nu se putea ca Pământul să rămână în repaus permanent în raport cu eterul, datorită variaţiei atât a vitezei, cât şi a direcţiei mişcării.

În orice punct dat de pe suprafaţa Pământului, magnitudinea şi direcţia vântului ar varia de-a lungul zilei sau de-a lungul anului. Analizând viteza de întoarcere a luminii în direcţii diferite la momente de timp diferite, se credea că se poate măsura mişcarea Pământului relativ la eter.

Diferenţa aşteptată la viteza luminii măsurată era foarte mică, dată fiind că viteza Pământului în orbita sa în jurul Soarelui era cam o sutime de procent din viteza luminii. Un număr de fizicieni au încercat să facă aceste măsurători la jumătatea secolului al XIX-lea, dar precizia necesară era prea mare pentru condiţiile existente. De exemplu, aparatul Fizeau–Foucault putea măsura viteza luminii cu o precizie de 5%, nici măcar aproape de ce era necesar pentru a măsura vântul eteric.

[modifică] Experienţele

Michelson avea o soluţie pentru problema construirii unui dispozitiv suficient de precis pentru a detecta curgerea eterului. Aparatul pe care l-a proiectat, numit mai târziu interferometru, trimitea o singură rază de lumină albă printr-o oglindă semiargintată folosită pentru a împărţi raza în două raze care se deplasează în unghi drept una faţă de cealaltă. După ce ies din oglindă, razele se deplasează până în capetele unor braţe lungi de unde erau reflectate înapoi în centru pe oglinzi mici. Apoi se recombinau în capătul îndepărtat al oglindei într-o lentilă, producând un şablon de interferenţă constructivă şi destructivă bazat pe lungimea braţelor. Orice mică schimbare în durata de timp cât stăteau undele pe drum ar fi fost observată ca o deplasare a poziţiilor franjelor de interferenţă. Dacă eterul ar fi fost staţionar în raport cu Soarele, atunci mişcarea Pământului ar produce o deplasare a franjelor de o douăzecişicincime din mărimea unei franje.

Michelson a efectuat câteva măsurători cu un aparat experimental în 1881, şi a observat că deplasarea aşteptată de 0,04 nu se vedea, dar se vedea o deplasare mai mică, de aproximativ 0,02. Însă aparatul său era un prototip, şi avea erori experimentale prea mari pentru a trage vreo concluzie despre vântul eteric. Pentru măsurarea vântului eteric, era necesar un experiment mult mai precis şi mai strict controlat. Prototipul a avut, însă, succes în a demonstra că metoda de bază era fezabilă.

Cu ajutorul unui laser contemporan, acest interferometru Michelson este acelaşi în principiu ca şi cel folosit în experimentul original.

Apoi, Michelson şi-a unit eforturile cu Edward Morley şi a petrecut destul de mult timp, cheltuind sume considerabile de bani pentru a crea o versiune îmbunătăţită cu mai mult decât suficientă precizie pentru a detecta deplasarea. În experimentul lor, lumina era reflectată în mod repetat înainte şi înapoi de-a lungul braţelor, mărind calea parcursă la 11 m. La această distanţă, deplasarea trebuia să fie 0,4 franje. Pentru a face aceasta uşor de detectat, aparatul a fost plasat într-o încăpere închisă de la subsolul unei clădiri de piatră, eliminând majoritatea efectelor termice sau oscilatorii. Oscilaţiile au fost reduse construind aparatul deasupra unui bloc uriaş de marmură, care plutea într-un bazin cu mercur. Precizia calculată era de ordinul a o sutime de franjă.

Bazinul de mercur permitea deplasarea aparatului, astfel încât să poată fi rotit la orice unghi posibil în raport cu "vântul eteric". Chiar şi într-o perioadă scurtă de timp un oarecare efect trebuia să fie observat doar rotind dispozitivul, astfel încât un braţ să stea pe direcţia vântului, iar celălalt în direcţie opusă. Ar fi fost uşor de măsurat deplasările şi pe perioade mai mari de timp.

În timpul fiecărei rotaţii complete a dispozitivului, fiecare braţ era paralel cu vântul de două ori şi perpendicular tot de două ori. Acest efect trebuia să producă măsurători sinusoidale cu două extreme şi două treceri prin zero. În plus, dacă vântul se datora doar orbitei Pământului în jurul Soarelui, vântul şi-ar fi schimbat complet direcţia est-vest de-a lungul unei perioade de 12 ore. În această conceptualizare ideală, sinusoidele pentru zi şi cele pentru noapte ar avea faze opuse.

Deoarece s-a presupus că mişcarea Pământului în jurul Soarelui ar cauza vreo componentă suplimentară a vântului, ciclurile anuale ar fi fost detectabile sub forma unei variaţii a magnitudinii vântului. Un exemplu al acestui efect este un elicopter care zboară înainte. La statul pe loc, elicea unui elicopter se roteşte cu aproximativ 480 de kilometri pe oră la vârfuri. Însă, dacă elicopterul se deplasează înainte la 240 km/h, există puncte în care vârfurile elicei se deplasează prin aer cu 240 km/h (în direcţia vântului) şi 720 km/h (în contra vântului). Acelaşi efect ar fi cauzat scăderea şi creşterea anuală a magnitudinii vântului eteric.

[modifică] Cel mai celebru experiment ratat

Şablon de interferenţă produs cu un interferometru Michelson folosind un laser roşu.

După toate aceste pregătiri, experienţa a devenit una din cele mai celebre experienţe ratate de până acum. În loc să furnizeze informaţii privind proprietăţile eterului, articolul din 1887 al lui Michelson şi Morley din American Journal of Science a dat deplasarea ca fiind doar a patruzecea parte din deplasarea aşteptată, dar “deoarece deplasarea este proporţională cu pătratul vitezei”, ei au tras concluzia că viteza măsurată este aproximativ o şesime din viteza aşteptată pentru mişcarea Pământului pe orbită şi “sigur mai puţin de o pătrime.” Deşi a fost măsurată această “viteză”, a fost considerată mult prea mică pentru a aduce dovezi ale existenţei eterului, iar ulterior s-a spus că este în marja de eroare experimentală care ar putea permite ca viteza să fie chiar şi zero.

Deşi Michelson şi Morley au continuat cu alte experienţe după prima publicare din 1887, ambii au continuat şi activitatea în domeniu. Alte versiuni ale experienţei au fost efectuate cu calcule din ce în ce mai sofisticate. Kennedy şi Illingworth au modificat oglinzile pentru a include un "pas" de jumătate de undă, eliminând posibilitatea vreunei unde staţionare în cadrul aparatului. Illingworth ar fi detectat variaţii de ordinul a 1/300 dintr-o franjă, Kennedy până la 1/1500. Miller a construit mai târziu un dispozitiv nemagnetic pentru a evita magnetostricţia, iar Michelson unul din invar neexpandabil pentru a elimina orice efect termic. Alţi oameni de ştiinţă din întrega lume au mărit precizia, au eliminat efecte secundare posibile, sau ambele.

Morley nu era convins de propriile rezultate şi a continuat experimente adiţionale cu Dayton Miller. Miller a lucrat pe experimente din ce în ce mai mari, culminând cu unul cu o lungime a braţului efectivă de 32 m la o instalaţie de la Observatorul de pe Muntele Wilson. Pentru a evita posibilitatea ca vântul eteric să fie blocat de ziduri, a folosit un atelier cu ziduri subţiri, în principal din pânză. A măsurat consistent un mic efect pozitiv care varia cu fiecare rotaţie a dispozitivului, cu ziua siderală şi anual. Măsurătorile sale au dat o viteză de revoluţie a Pământului de doar ~10 km/s în loc de valoarea aşteptată de ~30 km/s. El a rămas convins că aceasta s-a datorat antrenării parţiale în curent, şi nu a încercat să găsească o explicaţie mai detaliată.

Deşi mai târziu Kennedy a efectuat şi el un experiment pe Muntele Wilson, găsind 1/10 din deplasarea măsurată de Miller, fără vreun efect de-a lungul anului, descoperirile lui Miller au fost considerate importante la acel moment, şi au fost discutate de Michelson, Lorentz şi alţii la o întâlnire din 1928.^[2] Nu s-a ajuns la un acord general asupra continuării experimentelor pentru a verifica rezultatele lui Miller. Lorentz a recunoscut că rezultatele, oricare ar fi cauza lor, nu se potriveau nici cu versiunea lui, nici cu cea a lui Einstein a relativităţii restrânse. Einstein nu a fost prezent la întâlnire şi credea că rezultatele se datorează erorilor experimentale ^[3]. Până astăzi, nimeni nu reuşise să replice rezultatele lui Miller, şi experimentele moderne au au precizii care le contrazic.

Recent, au devenit comune repetări ale experimentului Michelson–Morley. Laserii şi maserii amplifică lumina reflectând-o în mod repetat într-o cavitate calibrată cu grijă, determinând astfel atomi de mare energie din cavitate să emită lumină mai multă. Rezultatul este o lungime a căii de ordinul kilometrilor. Mai mult, lumina emisă într-o cavitate poate fi folosită pentru a începe aceeaşi cascadă într-un alt set la unghiuri drepte, creând astfel un interferometru de mare precizie.

Primul astfel de experiment a fost condus de Charles H. Townes, unul din co-creatorii primului maser. Experimentul din 1958 a dat o limită superioară vitezei, luând în calcul orice eroare experimentală, de doar 30 m/s. În 1974 o repetare cu laseri mai precişi în experimentul Trimmer triunghiular a redus această limită maximă la 0,025 m/s, şi a inclus teste ale antrenării curenţilor plasând unul din picioare în sticlă. În 1979 experimentul Brillet-Hall a dat o limită superioară de 30 m/s pentru orice direcţie, dar a redus aceasta la 0,000001 m/s pentru cazul bidimensional (adică eter parţial antrenat sau fix). O repetare de un an cunoscută sub numele de Hils şi Hall, publicată în 1990, a redus limita de anizotropie la 2x10^-13.

[modifică] Note

[modifică] Referinţe

• A. A. Michelson şi E.W. Morley, Philos. Mag. S.5, 24 (151), 449-463 (1887), [1]
• A. A. Michelson et al., Conference on the Michelson-Morley Experiment, Astrophysical Journal 68, 341 (1928)
• Robert S. Shankland et al., New Analysis of the Interferometer Observations of Dayton C. Miller, Reviews of Modern Physics, 27(2):167-178, (1955)
• James DeMeo, Dayton Miller's Ether-Drift Experiments: A Fresh Look, (2002)
• Pentru unde gravitaţionale: Fişier PostScript al newsletterului Topical Group on Gravitation din cadrul American Physical Society, Numărul 21, Primăvara 2003; Google.com poate fi folosit pentru a extrage text din document.
• Holger Müller, Sven Herrmann, Claus Braxmaier, Stephan Schiller şi Achim Peters, Phys. Rev. Lett. 91, 020401 (2003) “Modern Michelson-Morley Experiment Using Cryogenic Optical Resonators”
• Renaud Parentani, International Journal of Modern Physics A, Vol. 17, No.20, pg. 2721-2726 “What Did We Learn from Studying Acoustic Black Holes?”
• N. Rashevsky, Light Emission from a Moving Source in Connection with the Relativity Theory,