5.2. 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 2l1 и 2l2, 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 – разность фаз 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 Dj1 = Dj2, 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 равенство скоростей u1 и u2?