Введение.

Еще в конце 19-го века, когда развивалась различные теории электрических и магнитных явлений появилась гипотеза о том, что свет распространяется в так называемом "мировом эфире".

Новые открытия в оптике, в корне перевернули раннее устоявшееся мнение, основанное на убежденности Ньютона в том, что света имеет корпускулярную природу. Эксперименты Гюйгенса, Френеля, Юнга и других ученых показали, что явления дифракции, интерференции и дисперсии могут быть объяснены только в рамках волновой теории света. Все попытки объяснить эти явления с позиций корпускулярной теории потерпели поражение.

После установления волновой природы света возник вопрос о среде в которой эти световые волны распространяются. Согласно представлениям, возникшим вскоре, свет распространяется в особой среде, называемой эфиром. Эфир заполняет все пространство, в котором движутся материальные тела, и неподвижен в этом пространстве. Скорость света относительно эфира является постоянной величиной, определяемой таким свойством эфира, как упругость. Эфир, по этим представлениям, является неподвижной и абсолютной системой отсчета.

Поскольку скорость света относительно эфира постоянна, то относительно материальных тел, движущихся в эфире, она переменна и зависит от их скорости относительно эфира. Измеряя скорость света относительно тела, можно определить скорость тела относительно эфира.

Такая попытка определить абсолютную скорость Земли была выполнена Майкельсоном и Морли в 1881 - 1887 г.г.

Идея и схема опыта Майкельсона - Морли.

Идея опыта состоит в сравнении прохождения светом двух путей, из которых один совпадает с направлением движения тела в эфире, а другой ему перпендикулярен. Схема установки изображена на Рис.1.

Представим себе интерферометр в котором свет, поступая из источника A падает на наклоненное под углом 45 градусов плоское полупрозрачное зеркало B и разделяется на два луча. Один из лучей отражается и уходит под углом 90 градусов по отношению к первоначальному направлению к зеркалу D, а другой проходит зеркало B насквозь и идет к зеркалу F. Отразившись от соответствующих зеркал лучи возвращаются к зеркалу B и наблюдаются в окуляр E.

Если интерферометр неподвижен, то в окуляре должны наблюдаться полосы, положение которых зависит от разности хода лучей по двум путям. Пусть длины плеч интерферометра BF=l₁ и BD=l₂. Рассчитаем разность хода, если система движется в направлении плеча BF со скоростью v.

При этом точка F удаляется от луча света, то есть луч, движущийся из B в F будет двигаться со скоростью c-v, а луч, движущийся из F в B со скоростью c+v. Значит время движения из B в F равно , а время движения из F в B равно . То есть полное время движения туда и обратно в направлении плеча BF равно .

Луч, движущийся в неподвижном случае вдоль BD, в подвижном случае движется сложнее. Его траектория, показаная на рисунке проходит через точки B, D', B'. При этом, если его скорость равна c, то она раскладывается на параллельную скорости движения системы c_|| и перпендикулярную c_^. При этом c_||=v и выполняется соотношение c²_|| + c²_^=с², откуда находим . Тогда движение из B в D' займет . Время обратного пролета такое же, то есть .

Вычислим разность хода . Для этого вначале разложим t_^ и t_|| по малому параметру v²/c².

.

.

Значит .

Теперь повернем интерферометр так, что плечо BD коллинеарно скорости системы, а плечо BF перпендикулярно. При этом разность хода вычисляется аналогично, но длины плеч меняются местами во всех выражениях:
.
и
.
.

Значит изменение разности хода при повороте интерферометра равно .

Итак, при повороте интерферометра, картина должна сдвигаться на величину, пропорциональную v²/c². То есть, ожидаемый эффект должен быть второго порядка по величине v/c.