Експеримент Майкельсона - Гейла

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Експеримент Майкельсона - Гейла (Michelson - Gale experiment) 1925р. здійснив вимірювання швидкості обертання Землі відносно своєї осі за допомогою оптичних інтерферометрів Майкельсона.

Історія[ред.ред. код]

В 1904р. Майкельсон описав теоретично модель вимірювання відносного зміщення фази для інтерферометра, що обертається (нагадує т.з. ефект Саньяка) [1] та передбачив потенціальні геометричні розміри інтерферометра, що міг виміряти швидкість обертання Землі навколо своєї осі. Довгий час на проведення експерименту не хватало коштів. Проте після втручання Зільберштейна[2], який дещо «уточнив» модель обертання Майкельсона, а також особисто виділив свою місячну зарплату професора теоретичної фізики (491,55 долара), фінанси знайшлись (17000 доларів), і грандіозна споруда (620х340м) була споруджена в Клірінзі (штат Іллінойс). В 1924 р. Майкельсон, разом з Гейлом провели сотні вимірів відносного зміщення фази інтерферометра [3][4].

Модель Майкельсона для кругового руху променів світла[ред.ред. код]

Розглянемо рух по замкненій траєкторії зі швидкістю . Циркуляція вектора швидкості по замкненій траєкторії є величина:

.

Знаючи довжину траєкторії , ми можемо визначити швидкість матеріального тіла як:

.

Різниця часу для двох променів світла, що рухаються назустріч один одному буде:

,

де враховано, що . Підставляючи в дану формулу значення швидкості матеріального тіла , знаходимо:

,

де враховано . Перший інтеграл буде рівний нулю, а другий – рівний площі замкненого контура:

.

Таким чином, остаточний результат для різниці часу буде:

.

Відносне зміщення фази для світлових променів буде:

,

де . Для широти , , , та отримаємо наступну оцінку для відносного зміщення фази:

.

Для площі ми будемо мати , яке можна виміряти експериментально у вигляді зміщення інтерференційних смуг.

Експериментальні результати[ред.ред. код]

Оскільки зробити інтерферометр у вигляді кільця з радіусом Землі практично неможливо, тому замкнену інтерференційну схему робили на обмеженій площі з двома шляхами для променів світла. Звідси збільшення в 2 – рази значення відносного зміщення фази:

,

де - кутова частота обертання Землі навколо своєї осі (вортекс Землі). В якості джерела світла використовувалася 20- амперна дуга змінного струму. Довжина хвилі світла (середня) була м, тиск повітря в трубах був мм рт.ст. при такому тиску якість концентричних кілець інтерференційної картини була стабільна в часі та досить контрасна. 12 – дюймові водогінні труби були покладені прямо і на одному рівні по периметру (620х340м), з дублюванням лінії поперек одного кінця. Цей додатковий інтерферометр був необхідний для установки «0»- го зсуву. Він виконував роль «незміщенного» взірця, відносно якого і вимірювався зсув інтерференційних смуг.

Зсув інтерференційних смуг за рахунок обертання Землі спостерігався незалежними спостерігачами, а не тільки експериментаторами (для об’єктивності!), з повним пере регулюванням дзеркал інтерферометрів. Відхилення усереднювались в серіях по 20 вимірів. Було виконано 269 серій експериментів. Відносне зміщення фази променів становило середнє значення , а обчислене значення - .

Чи можливий глобальний інтерферометр Майкельсона?[ред.ред. код]

Так, в свій час Майкельсон мріяв про створення глобального інтерферометра. Проте, чи можлива його реалізація на практиці? На це некоректне запитання існує некоректна відповідь: і так, і ні. Дійсно, використавши тривіальне обмеження для відносного фазового зсуву:

,

при та ми знаходимо довжину хвилі:

м,

звідки випливає, що реалізація можлива тільки на радіохвилях, а на світлових хвилях – ні! Більше того, можна порівняти радіус Землі та довжину світлової хвилі:

,

звідки також видно, що забезпечити виконання когерентності для такого числа хвиль є практично неможлива задача на сьогоднішній день.


Дивись також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. A. Michelson, (1904) "Relative Motion of Earth and Aether." Philosophical Magazine (6), 8,716-719
  2. Ludwik Silberstein (1921) "The Propagation of Light in Rotating Systems." JOSA Vol. 5, No.4, p. 291-307
  3. Albert Michelson, Henry Gale: (1925) The Effect of the Earth's Rotation on the Velocity of Light. Part II
  4. Albert Michelson, Henry Gale: (1925) The Effect of the Earth's Rotation on the Velocity of Light. Part I

Література[ред.ред. код]