Expérience de Michelson-Morley
L'expérience , une de Michelson-Morley de des expériences les plus importantes et les plus célèbres dans l'histoire de de la physique , a été exécutée dans le 1887 par le Albert Michelson et le Edouard Morley à ce qui est maintenant l'université occidentale de réservation de cas de . On le considère généralement la première preuve irréfutable contre la théorie d'un éther luminifère . L'expérience également désigné sous le nom du " ; le point de coup de pied-au loin pour les aspects théoriques de la révolution en second lieu scientifique . " ; Principalement pour ce travail, le Albert Michelson a été attribué le prix Nobel en 1907.
Éther de mesure
Les théories de la physique du 19ème siècle en retard ont postulé cela, juste comme les vagues d'eau doivent avoir un milieu à déplacer à travers (l'eau), et les ondes du sonore audibles exigent d'un milieu de se déplacer à travers (air ou l'eau), tellement également les vagues légères exigent un milieu, le " ; Éther luminifère , " de ; ou le " ; éther éthéré . " ; Puisque la lumière peut voyager par un vide, on l'a supposé que le vide doit contenir le milieu de la lumière. Puisque la vitesse de la lumière est si grande, concevoir une expérience pour détecter la présence et les propriétés de cet éther a pris l'ingéniosité considérable.
Tous les ans, les voyages de la terre une distance énorme dans son orbite autour du Sun , à une vitesse d'environ 30 km/second ou plus de 108.000 kilomètres par heure. Le soleil lui-même voyage au sujet du centre galactique encore à de plus grandes vitesses, et il y a d'autres mouvements à des niveaux plus élevés de la structure de l'univers. Puisque la terre est dans le mouvement, on s'est attendu à ce que l'écoulement de l'éther à travers la terre devrait produire un " discernable ; éther wind." ; Bien qu'il soit possible, dans la théorie, pour que le mouvement de la terre assortisse cela de l'éther à un instant, il n'était pas possible que la terre reste au repos en ce qui concerne l'éther à tout moment, en raison de la variation dans la direction et la vitesse du mouvement.
À n'importe quel point indiqué sur la surface terrestre, l'importance et la direction du vent varieraient avec l'heure et la saison. En analysant la vitesse de la lumière de retour dans différentes directions à de diverses différentes heures, il était vraisemblablement possible de mesurer le mouvement de la terre relativement à l'éther.
La différence prévue dans la vitesse de la lumière mesurée était tout à fait petite, étant donné que la vitesse de la terre dans son orbite autour du soleil était environ un centième d'un pour cent de la vitesse de la lumière. Un certain nombre de physiciens avaient essayé de faire cette mesure pendant le mid-1800s, mais l'exactitude exigée était simplement trop grande pour des installations expérimentales existantes. Par exemple, l'appareillage de Fizeau-Foucault de a pu mesurer la vitesse de la lumière l'exactitude peut-être 5%, assez pas presque pour faire n'importe quelle sorte de la mesure de vent d'éther.
Les expériences
Michelson a eu une solution au problème de la façon construire un dispositif suffisamment précis pour détecter l'écoulement d'éther. Le dispositif qu'il a conçu, plus tard connu comme interféromètre , envoyé une source simple de lumière blanche par un miroir half-silvered qui a été utilisé pour la couper en deux faisceaux voyageant perpendiculairement à un un autre. Après avoir laissé le diviseur, les faisceaux ont voyagé dehors aux extrémités de longs bras où ils ont été reflétés de nouveau dans le milieu sur de petits miroirs. Ils ont alors recombiné du côté lointain du diviseur dans un oculaire, produisant un modèle de l'interférence constructive et destructive basée sur la longueur des bras. On observerait n'importe quel léger changement du nombre de heures que les faisceaux ont dépensé en transit alors comme décalage dans les positions des franges d'interférence. Si l'éther étaient stationnaire relativement au soleil, alors le mouvement de la terre produirait un vingt-cinquième du décalage un de frange de la taille d'une frange simple.
Michelson avait fait plusieurs mesures avec un dispositif expérimental en 1881, l'où il a noté que le décalage prévu de 0.04 n'a pas été vu, et un plus petit décalage (tout au plus) environ de 0. Cependant son appareil était un prototype, et a eu des erreurs expérimentales loin trop grandes pour dire n'importe quoi au sujet du vent d'éther. Pour une mesure du vent d'éther, une expérience beaucoup plus précise et plus bien controlée devrait être effectuée. Le prototype était, cependant, réussi en démontrant que la méthode de base était faisable.
Il a alors combiné des efforts avec le Edouard Morley et a dépensé un nombre de heures et un argent considérables créant une version améliorée avec plus qu'assez d'exactitude pour détecter la dérive. Dans leur expérience, la lumière a été à plusieurs reprises réfléchie dans les deux sens le long des bras, augmentant la longueur de trajet à 11 M. À cette longueur, la dérive serait environ 0. Pour faire que facilement discernable, l'appareil a été situé dans une salle fermée dans le sous-sol d'un bâtiment en pierre, éliminant les effets les plus thermiques et les plus vibratoires. Des vibrations ont été encore réduites en construisant l'appareil sur un bloc énorme de marbre, qui a été alors flotté dans une piscine de mercure. Elles ont calculé que les effets environ du 1/100th d'une frange seraient discernables.
Le bain de mercure a permis au dispositif d'être tourné, de sorte qu'il ait pu être tourné par la gamme entière des angles possibles avec le « vent d'éther. » Même sur une courte période une certaine sorte d'effet serait notée simplement en tournant le dispositif, tel qu'un bras a tourné dans la direction du vent et de l'autre loin. Au-dessus des cycles de jour/nuit de plus longues périodes ou des cycles annuels être également facilement mesurable.
Pendant chaque pleine rotation du dispositif, chaque bras serait parallèle au vent deux fois (revêtement dans et à partir du vent) et à la perpendiculaire au vent deux fois. Cet effet montrerait des lectures dans une formation de l'onde sinusoïdale avec deux crêtes et deux cuvettes. En plus, si le vent étaient seulement de l'orbite terrestre autour du soleil, le vent changerait entièrement à l'est de directions/ouest au cours d'une période de 12 heures. Dans cette conceptualisation idéale, l'onde sinusoïdale des lectures de jour/nuit aurait lieu de la phase de opposition .
Puisqu'on l'a supposé que le mouvement de la terre autour du soleil causerait un composant additionnel au vent, les cycles annuels seraient discernables comme changement de l'importance du vent. Un exemple de cet effet est un vol d'hélicoptère en avant. Tout en planant, les lames d'un hélicoptère seraient mesurées comme voyageant autour typiquement à 300 M/H aux bouts. Cependant, si l'hélicoptère voyage en avant à 150 M/H, il y a des points où les bouts des lames voyagent par l'air à 150 M/H (vent arrière) et à 450 M/H (vent de face). Le même effet ferait diminuer et augmenter l'importance d'un vent d'éther sur une base annuelle.
L'expérience failed la plus célèbre
Après toutes ces pensée et préparation, l'expérience est devenue ce qui pourrait s'appeler l'expérience failed la plus célèbre jusqu'ici. Au lieu de fournir l'aperçu des propriétés de l'éther, l'article 1887 de Michelson et de Morley dans le journal américain de la Science a rapporté la mesure pour être aussi petit que l'un-quarantième du déplacement prévu mais « puisque le déplacement est proportionnel à la place de la vitesse » qu'ils ont conclu que la vitesse mesurée était approximativement un sixième de la vitesse prévue du mouvement de la terre en orbite et « certainement plus moins d'un quart. » Bien que cette petite « vitesse » ait été mesurée, on l'a considéré trop petit lointain à employer comme évidence d'éther, et on a dit que plus tard est dans la marge d'une erreur expérimentale qui permettrait à la vitesse d'être réellement zéro.
Bien que Michelson et Morley aient continué à différentes expériences après leur première publication en 1887, des les deux restés actifs dans le domaine. D'autres versions de l'expérience ont été effectuées avec l'augmentation de la sophistication. Kennedy et Illingworth tous les deux ont modifié les miroirs pour inclure une « étape à demi onde, » éliminant la possibilité d'une certaine sorte de modèle d'onde stationnaire dans l'appareil. Illingworth a pu détecter des changements sur l'ordre du 1/300th d'une frange, Kennedy jusqu'au 1/1500th. Miller plus tard a établi un dispositif non magnétique pour éliminer la magnétostriction , alors que Michelson construisait un d'Invar non-en expansion pour éliminer tous les effets thermiques demeurants. D'autres de partout dans le monde ont augmenté l'exactitude, les effets secondaires possibles éliminés, ou tous les deux.
Morley n'a pas été convaincu de ses propres résultats, et a continué pour entreprendre des expériences additionnelles avec le Dayton Miller . Miller a travaillé aux expériences de plus en plus grandes, aboutissant à une avec une longueur (efficace) de bras de 32 m à une installation à l'observatoire de Wilson de bâti de . Pour éviter la possibilité du vent d'éther bloqué par les murs pleins, il avait l'habitude un hangar spécial avec les murs minces, principalement de la toile. Il a uniformément mesuré un léger effet positif qui a varié avec chaque rotation du dispositif, le jour sidéral et sur une base annuelle. Ses mesures se sont élevées à seulement ~10 km/s au lieu des ~30 km/s prévus seul du mouvement orbital de la terre. Il est resté a convaincu ceci était dû à l'entraînement partiel du , bien qu'il n'ait pas essayé une explication détaillée.
Bien que Kennedy plus tard ait également effectué une expérience au bâti Wilson, ne trouvant 1/10 de la dérive mesuré par Miller, et aucun effet saisonnier, les résultats de Miller ont été considérés importants alors, et ont été discutés par Michelson, Lorentz et d'autres lors d'une réunion rapportée en 1928 (référence ci-dessous). Il y avait accord général que plus d'expérimentation était nécessaire pour vérifier les résultats de Miller. Lorentz a identifié que les résultats, celui que leur cause, n'ait pas tout à fait correspondu avec le sien ou les versions d'Einstein de la relativité spéciale . Einstein n'était pas présent lors de la réunion et ne s'est pas senti que les résultats pourraient être écartés comme erreur expérimentale (voir la référence de Shankland ci-dessous). Jusqu'ici, personne n'a pu replier les résultats de Miller, et les expériences modernes ont des exactitudes qui les ordonnent dehors.
Retombées radioactives
Ce résultat était plutôt stupéfiant et inexplicable par la théorie alors-courante de propagation des ondes dans un éther statique. Plusieurs explications ont été essayées, parmi eux que l'expérience a eu une paille cachée (apparemment la croyance initiale de Michelson), ou que le champ gravitationnel de la terre de façon ou d'autre « a traîné » l'éther autour avec lui dans le tel une manière comme éliminerait localement son effet. Miller aurait argué du fait que, dans les la plupart sinon toutes les expériences autres que ses propres, là étaient peu de possibilité de détecter un vent d'éther puisqu'il presque totalement a été bloqué dehors par les murs de laboratoire ou par l'appareil lui-même. Être ceci comme il peut, l'idée d'un éther simple, ce qui est devenu notoire comme le postulent d'abord , avait été occupé un coup sérieux.
Un certain nombre d'expériences ont été effectuées pour étudier le concept de l'éther traînant, ou l'entraînement de . Le plus d'une façon convaincante a été effectué par Hamar, qui a placé un bras de l'interféromètre entre deux blocs de plomb énormes. Si l'éther étaient traînés par la masse, les blocs, il ont été théorisés, ont été assez pour causer un effet évident. De nouveau, aucun effet n'a été vu.
Le théorie d'émetteur de de s de Ritz Walter ballistique la' (ou théorie), était également compatible aux résultats de l'expérience, n'exigeant pas l'éther, plus intuitif et paradoxe-libre. Ceci est devenu notoire comme le postulat de en second lieu. Toutefois il a également mené à plusieurs effets optiques « évidents » qui n'ont pas été vus en photographies astronomiques, notamment dans les observations des étoiles binaires en lesquelles la lumière des deux étoiles pourrait être mesurée dans un interféromètre. Si le deuxième postulat était correct, la lumière des étoiles devrait causer le décalage de frange dû à la vitesse des étoiles étant ajoutées à la vitesse de la lumière, mais encore, aucun un tel effet ne pourrait être vu.
L'expérience de Sagnac de a placé un appareil modifié sur une plaque tournante constamment tournante ; la modification principale est que la trajectoire légère enferme un secteur. De cette manière toutes les théories ballistiques telles que Ritz pourraient être examinées directement, car l'one-way allant de lumière autour du dispositif aurait la longueur différente à voyager qu'allumer aller l'autre manière (l'oculaire et les miroirs déplaceraient vers/à partir de la lumière). Dans la théorie de Ritz il n'y aurait aucune variation, parce que la vitesse nette entre la source lumineuse et le détecteur était zéro (elles toutes les deux ont été montées sur la plaque tournante). Toutefois dans ce cas-ci un d'effet était vu, éliminant de ce fait toute théorie ballistique simple. Ce frange-décaler l'effet est employé aujourd'hui dans des gyroscopes de laser de
Une explication possible a été trouvée dans la contraction de Fitzgerald-Lorentz de , simplement appelée également la contraction de longueur . Selon cette hypothèse tous les objets se contractent physiquement suivant la ligne du mouvement (à l'origine vraisemblablement relativement à l'éther), ainsi tandis que la lumière peut en effet transiter plus lent sur ce bras, il finit également vers le haut le déplacement une distance plus courte qui décommande exactement dehors la dérive. Dans le 1932 l'expérience de Kennedy-Thorndike a modifié l'expérience de Michelson-Morley en rendant les longueurs de trajet du faisceau de fente inégales, avec un bras étant très court. En cette version un changement de la vitesse de la terre avait toujours comme conséquence un décalage de frange à moins que si également la dilatation prévue de temps de est correcte. De nouveau, aucun effet n'a été vu, qu'ils ont présenté comme évidence pour la contraction de longueur et la dilatation de temps, les deux effets principaux de relativité.
Le mach d'Ernst de était parmi les premiers physiciens pour suggérer que l'expérience se soit élevée réellement à une réfutation de la théorie d'éther. Le Einstein a dérivé la contraction de Fitzgerald-Lorentz du postulat de relativité ; ainsi sa description de la relativité spéciale était également compatible aux résultats apparent nuls de la plupart des expériences (cependant pas, comme a été reconnu lors de la réunion de 1928, avec les effets saisonniers observés de Miller). Aujourd'hui la relativité spéciale est généralement considérée la « solution » au résultat nul de Michelson-Morley. Cependant, ceci n'a pas été universellement identifié alors. Aussi tard que 1920, Einstein lui-même parlait toujours d'un type d'éther qui n'était pas « un milieu pondérable » mais de quelque chose d'importance néanmoins : une réflexion plus soigneuse de
de
« … nous enseigne, cependant, que la théorie de relativité spéciale ne nous oblige pas à nier l'éther. Nous pouvons assumer l'existence d'un éther… Récapitulation, nous pouvons dire que cela selon la théorie générale de l'espace de relativité est doté de qualités physiques ; dans ce sens, donc, là existe un éther… Selon la théorie générale de l'espace de relativité sans éther est impensable ; pour dans un tel espace il non seulement n'y aurait aucune propagation de lumière, mais également aucune possibilité d'existence pour des normes de l'espace et de temps (des mesurer-tiges et des horloges), ni donc aucun intervalle d'espace-temps dans le sens physique. Mais cet éther ne peut être considéré comme doté de la caractéristique de qualité des médias pondérables, en tant que se composer des pièces qui peuvent être dépistées par le temps. L'idée du mouvement ne peut être appliquée à elle. »
L'expérience Trouton-Noble est considérée comme l'équivalent électrostatique de l'expérience optique de Michelson-Morley, bien que si elle puisse jamais être faite avec la sensibilité nécessaire soit discutable. D'une part, l'expérience 1908 de Trouton-Rankine , qui peut être considérée comme l'équivalent électrique à l'expérience de Kennedy-Thorndike de , a réalisé une sensibilité incroyable.
Application à la détection de vague de la gravité
Parmi les prévisions de la théorie du postérieur d'Einstein de relativité générale est que là existent les vagues de la gravité , mais à partir de 2006, ces vagues ont seulement été le indirectement observé. Énormément sensible, kilomètre-mesurer les interféromètres de Michelson (ajoutés aux interféromètres de Fabry-Perot sont employés dans des projets en cours essayant de détecter directement les vagues de la gravité, telles que le LIGO et la VIERGE . Le LISA est une NASA commune prévue - mission de d'ESA pour mettre trois 5 millions d'interféromètres de Michelson de kilomètre dans l'espace, avec l'intention d'observer de manière significative les vagues de la gravité de bas-fréquence que les prédécesseurs terrestres.
Voir également
le mobile de
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