DLA NIEKTÓRYCH 130 LAT TO ZA MAŁO

 

by zrozumieć cel, układ doświadczalny i przebieg eksperymentu Michelsona-Morleya.

Tyle lat od jego wykonania - właśnie minęło.

A skąd to wiem , że 130 lat to za mało?

A no wisi na salonie wpis zatytułowany:

“ Odkryłem sens eksperymentu Michelsona-Morleya”.

Można by dodać: lepiej późno ,niż wcale.

 

Ale to zdanie byłoby fałszywe, gdyż nawet po 130 latach ,ci co piszą namiętnie na salonie o tym eksperymencie nadal go poprawnie nie rozumieją, nadal mają kłopoty z elementarnymi wzorami i obliczeniami jakie przy nim występują.

Po prostu ,jak się Jaś nie nauczył czegoś w szkole ,to Jan będąc wysoki i stary jak topola, może być głupi jak fasola.

 

                                 Co było celem eksperymentu Michelsona-Morleya ?

 

W tamtym czasie [ rok 1881] większość fizyków skłaniała się do hipotezy, że fale elektromagnetyczne przewidziane teoretycznie przez J.C.Maxwella muszą się rozchodzić [ jak każde fale ] w jakimś ośrodku ,nazwano go [ wzorem starożytnych materialistów ] – eterem.

 

Michelson postanowił wykryć obecność tego zagadkowego ciała zwanego eterem [1].

 

 

Sprytnie zauważył , że skoro Ziemia w swej drodze wokół Słońca porusza się w eterze, to musi wystąpić efekt “wiatru eteru” podobny do tego “wiatru”, jaki czujemy np. przy szybkiej jeździe rowerem ,chociaż powietrze względem gruntu może być właśnie nieruchome[brak wiatru].

 

 

Ale jaki sposób ten “wiatr eteru” wykryć?

 

I tutaj przychodzi geniusz Michelsona, jako wybitnego eksperymentatora.

Jeżeli światło [ fale elektromagnetyczne wg J.C.Maxwella ] porusza się w eterze z prędkością C względem niego ,to w przypadku istnienia “wiatru eteru” czas biegu światła pod “wiatr eteru” nie może być równy czasowi biegu światła z “wiatrem eteru” [ względem Ziemi ]. Przecież prawo składania prędkości Galileusza musi obowiązywać.

 

Pod “wiatr eteru” prędkość względna światła musi wynosić

C – v

a z “wiatrem eteru”

C + v

Gdzie v- prędkość “wiatru eteru” równa prędkości Ziemi [średniej]wokół Słońca.

 

Jeśli światło puścimy po określonej drodze L(1) tam i z powrotem,

to czas sumaryczny będzie wynosił

 

1. T(1) = L(1)/C-v + L(1)/C+v = [2L(1)/C]*[1 – (v/C)^2]

 

Wszystko powyższe dotyczy biegu światła o kierunku równoległym do kierunku ruchu Ziemi.

 

Ale geniusz Michelsona bezbłędnie buduje problem ,by go ostatecznie sformułować klarownie .

 

Wyobraźmy sobie teraz ,że promień światła biegnie prostopadle do kierunku “wiatru eteru” na drodze L(2). Klasyczne prawo składania prędkości Galileusza i twierdzenie Pitagorasa dają prędkość wiązki światła względem Ziemi przy biegu “tam i z powrotem” daje jednakową wartość

 

[C^2 – v^2]^1/2

 

a czas takiego przelotu tam i z powrotem

2. T(2) = 2*L(2)/C *[1 –(v/c)^2]^1/2

 

Zatem istnieje różnica między czasami biegu światła “tam i z powrotem” w kierunkach : równoległym do kierunku “wiatru eteru” [wywołanego ruchem Ziemi] i prostopadłym [proszę zerknąć kolejno na wzory 1 oraz 2 ].

Rachunek pokazuje że wynosi ona

 

3. T(1) – T(2) = [2*gamma/C]*[gamma*L(1) – L(2)]

gdzie

4. Gamma = [1-(v/C)^2]^(-1/2)

 

Jak ją zmierzyć ?skoro musi być bardzo mała, bo ułamek v/C jest szalenie mały!

 

                                           Z pomocą przychodzi interferencja światła !

 

Michelson wiedział , że interferencja światła to bardzo czuły efekt na przesunięcie w czasie biegu dwóch wiązek światła spotykających się ze sobą. Zastosował więc interferometr. Przyrząd wynaleziony przez niego wcześniej.

 

Idea działania tego przyrządu jest prosta [2].

 

Wiązka światła ze źródła S pada na półprzezroczystą płytkę P ,gdzie część jej zostaje odbita i biegnie do zwierciadła Z(2),część zaś przechodzi przez płytkę i biegnie do zwierciadła Z(1).Po odbiciu od zwierciadeł Z(1) i Z(2) wiązki znowu padają na płytkę P ,gdzie z każdej wiązki część ulega odbiciu a część przechodzi. Części światła przechodzące spotykają się ze sobą i interferują dając ciemne i jasne prążki[na skutek różnicy w czasach biegu, części wiązek są przesunięte w fazie], o ściśle określonym położeniu.

 

I znowu – w tym momencie-geniusz Michelsona, jako eksperymentatora daje o sobie znać.

 

 

Michelson zauważa , że jeśli obrócimy układ o 90 stopni, to zwierciadła Z(1) i Z(2) zamienią się rolami, a różnica czasów przebiegu wiązek teraz będzie inna.

 

Rachunek daje nam wartość tej różnicy :

5. [2*gamma/C]*[L(1) – gamma*L(2)]

{ porównaj wzory (3) oraz (5) , zobaczysz różnicę między nimi]

 

Zatem obraz interferencyjny zmieni się, prążki się przesuną o wartość w przybliżeniu

6. K = 2*(v/C)^2*L/lambda

Gdzie

Lambda- długość fali użytego światła monochromatycznego

L = L(1) = L(2)

 

                                                             Nie ma przesunięcia prążków !

Zdumienie Michelsona było ogromne !

Teoretyczne obliczenia dawały przesunięcie obrazu interferencyjnego[po obrocie układu] o wartość k = 0,04 prążka, gdy w rzeczywistości obserwowany efekt przy obrocie interferometru dawał wynik k mniejszy od 0,01 prążka !

 

A przy takim k ,wyliczona prędkość orbitalna Ziemi powinna nie przekraczać 5 km/s, gdy w rzeczywistości średnia prędkość Ziemi-jak wówczas było wiadomo - wynosi 29,79 km/s.

 

Negatywny wynik doświadczenia M-M [powtarzanego wielokrotnie] zdobył dwie konkurencyjne interpretacje.

Interpretacja pierwsza.

Kosmiczny eter nie istnieje.

 

Interpretacja druga

Eter istnieje, lecz wszystkie ciała poruszające się względem eteru doznają rzeczywistego skrócenia rozmiarów w kierunku równoległym do kierunku ruchu o czynnik

[1 – (v/C)^2]^1/2

 

Z łatwością można sprawdzić ,że gdyby takie skrócenie istniało, to żadnego przesunięcia prążków interferencyjnych w eksperymencie M-M by nie było.

 

                                   Eksperyment M-M ,a einsteinowska teoria względności

Co wspólnego ma eksperyment M-M ze szczególną teorią względności Alberta Einsteina ?

 

Odpowiedź:

 

 NIC

 

Ani cel, ani teoria tego eksperymentu nie korelują w jakikolwiek sensie z STW .

 

Po pierwsze.

STW nie rozważa istnienia eteru, jako warunku jej struktury formalnej. Eter może istnieć, lub nie istnieć i nie będzie to miało żadnego znaczenia dla struktury teorii względności, tak szczegółowej, jak i ogólnej.

 

Po drugie.

STW nie mówi nigdzie o rzeczywistym skróceniu wymiarów ciał w wyniku ich ruchu.

 

STW ma fundamentalny postulat [ założenie ] , jeden z dwóch , który brzmi:

 

Dla wszystkich obserwatorów związanych z układami inercjalnymi ,prędkość światła w próżni jest stała, niezmiennicza.

 

Jasne ,że postulat ten może być uznany za trzecią interpretację eksperymentu M-M ,ale Albert Einstein w żadnej pracy konstruującej STW nie wychodzi od tego eksperymentu ,ani na niego nie powołuje się, ani go nie interpretuje.

Centralną osią jego dzieła są bowiem dwa pytania:

Te pytania nie mają nic wspólnego z eksperymentem M-M.

 

I po dziś dzień , żaden autentyczny relatywista ,autor kursu STW ,nawet nie czyni wzmianek o eksperymencie M-M, ponieważ struktura szczególnej teorii względności nie jest zbudowana na wyniku tego eksperymentu .

 

Jednak wzmianki takie można znaleźć w popularnych ujęciach fizyki, gdzie pisze się wręcz fałszywie ,że STW powstała z analizy eksperymentu M-M ,lub że ten eksperyment potwierdza prawdziwość szczególnej teorii względności. Ten fałsz należy wpisać na konta wielu dydaktyków fizyki doświadczalnej.

 

Największym jednak fałszem w tej dziedzinie, o groźniejszych skutkach teoriopoznawczych , jest twierdzenie [ulubione przez dziennikarzy i filozofów od siedmiu boleści ], że Einstein uczynił wszystko względnym, gdy w rzeczywistości wykrył on w przyrodzie obiekty i relacje absolutne , o których przed nim rozprawiali filozofowie, lecz fizycy nie mieli nawet zielonego pojęcia.

 

Teoria względności, to myląca nazwa jednej z najpiękniejszych teorii absolutu w przyrodzie.

 

Samo roztrząsanie eksperymentu M-M jest zajęciem pożytecznym, w przeciwieństwie na przykład do wislawusizmu , który jest czystą parodią filozofii, bez jakiejkolwiek wartości dla nauk przyrodniczych.

 

Ale trzeba mieć świadomość , że jest to historia fizyki, a nie jej stan współczesny.

 

Literatura

[1] A.Michelson,E.Morley,On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether , American Journal of Science, 34 (203)s. 333–345, 1887

[2] A.K.Wróblewski,J.A.Zakrzewski, Wstęp do fizyki, tom I,1992,s.111-116

[3] A.Einstein, Zur Elektrodynamik bewegkter Koerper, Annalen der Physik,17,891-921,1905