Michelson-Morley-kísérlet: az éterelmélet vizsgálata interferométerrel
Michelson-Morley-kísérlet (1887): részletes áttekintés az éterelmélet interferométeres vizsgálatáról — történet, módszer és hatása a modern fizikára.
A Michelson-Morley-kísérlet egy tudományos kísérlet volt, amelynek célja az éter nevű anyag jelenlétének és tulajdonságainak megállapítása volt, egy olyan anyagé, amelyről úgy vélték, hogy kitölti az üres teret. A kísérletet Albert A. Michelson és Edward Morley végezte 1887-ben.
Mivel a vízben lévő hullámoknak szükségük van valamire, amiben mozoghatnak (víz), és a hanghullámoknak is (levegő), úgy gondolták, hogy a fénynek is szüksége van valamire, amiben mozoghat. A 18. századi tudósok ezt az anyagot a fény görög istene után "éternek" nevezték el. Úgy vélték, hogy az éter mindenütt ott van körülöttünk, és az űr vákuumát is kitölti. Michelson és Morley azért alkották meg ezt a kísérletet, hogy megpróbálják bizonyítani az éter létezésének elméletét. Ezt egy interferométer nevű eszközzel tették.
A kísérlet elve
Az elképzelés egyszerű: ha a Föld mozog az éterhez képest (azaz „éteráramot” érezünk), akkor a fény sebessége az éterhez viszonyítva iránytól függően kissé változni fog. Egy interferométer segítségével ezt az irányfüggő sebességkülönbséget fáziseltolódásként lehetett volna kimutatni. Ha az egyik irányban a fény lassabb (illetve gyorsabb) az éter-szél miatt, akkor a két, egymásra merőleges karon megtett utak között időbeli különbség alakul ki, ami az újraegyesített fénysugarak interferenciájában eltolódó sávokat (fringeket) eredményez.
Az interferométer felépítése és működése
- A kísérleti eszköz központi eleme egy féláteresztő tükör (féltükör), amely a bejövő fényt két, egymásra merőleges irányba osztja.
- Mindkét ágon tükör áll, amelyekről a sugarak visszaverődnek, majd a féltükörnél újra egyesülnek, és interferenciaképet adnak.
- A készüléket lassan elforgatták, hogy az esetleges éteráram irányához képest különböző orientációkat kapjanak; ha van „éter-áramlás”, a forgatás során periodikus eltolódást kellene látni a fringekben.
- A kísérlet nagy pontosságot és jó mechanikai stabilitást igényelt: rezgés-, hő- és légáramlás-ellenőrzést, masszív asztalt és pontos optikát alkalmaztak a zavaró hatások csökkentésére.
Eredmény: „nulla” elmozdulás
Michelson és Morley az elvártnál jóval kisebb, gyakorlatilag nulla nagyságú elmozdulást találtak az interferenciacsíkokban — nem kapták meg a várt, mérhető változást, amely az éter jelenlétére utalt volna. Ez a negatív, vagyis „nulla” eredmény komoly gondolatébresztő hatású volt, mert az éterfogalom alapvető következményeivel ütközött.
Következmények és értelmezések
- Alternatív magyarázatok: A nullának tűnő eredményt néhányan kísérleti hibákkal vagy nem kellően érzékeny műszerrel magyarázták. Mások elméleti megoldásokat javasoltak: a Lorentz- és FitzGerald-féle kontrakcióhipotézis szerint a mozgó testek a mozgás irányában rövidülnek, ami kompenzálja a várt időkülönbséget.
- Speciális relativitás: Az 1905-ben Einstein által megfogalmazott speciális relativitáselmélet eltörölte az éter szükségességét: a fénysebesség vákuumban minden inerciarendszerben azonos, nincs szükség „éter-szélre”. A Michelson–Morley-kísérlet eredménye jól illeszkedett az új elmélet alapelveihez.
- Történeti jelentőség: A kísérlet fontos impulzust adott a 19–20. század fordulóján történő elméleti átalakulásokhoz, és az éter modelljének feladásához vagy radikális átértelmezéséhez vezetett.
Későbbi ismétlések és pontosabb mérések
A kísérletet azóta sokszor megismételték és továbbfejlesztették, egyre magasabb érzékenységgel. A 20. században végzett több ismétlés és a modern, lézeres, rezonálóüreges mérési módszerek szigorúan korlátozzák az esetleges fénysebesség-anizotrópia mértékét — az eredmények ma is a speciális relativitás elveivel összhangban vannak.
Összefoglalás
A Michelson–Morley-kísérlet kulcsfontosságú volt a klasszikus fizika és a modern fizika közötti váltásban. Bár célja az éter kimutatása volt, a mérés eredménye nem támasztotta alá az éterhipotézist. A kísérlet és következményei elősegítették olyan új elméletek kialakulását, amelyek jobban leírják a fény és az inerciarendszerek viselkedését.
További érdekesség: Albert A. Michelson kora tudományos munkásságát és rendkívüli optikai pontosságát később Nobel-díjjal ismerték el (1907), elsősorban precíziós optikai méréseiért és műszerezettségéért.
A kísérlet
A Föld nagyon gyorsan (több mint 100 000 km/óránként) kering a Nap körül. Ha az éter létezik, akkor a rajta keresztül mozgó Föld ugyanúgy "szelet" okozna, mint ahogyan egy mozgó autón kívül is látszik szél. Az autóban ülő ember számára az autón kívüli levegő mozgó anyagnak tűnne. Ugyanígy az éternek is mozgó anyagnak kellene tűnnie a Földön lévő dolgok számára.
Az interferométert úgy tervezték, hogy az "éterszél" sebességét és irányát a különböző irányokban haladó fénysebességek közötti különbség mérésével mérje. Ezt a különbséget úgy mérte, hogy egy fénysugarat egy ezüsttel csak részben bevont tükörbe irányított. A fénysugár egy része az egyik irányba visszaverődött, a többi pedig a másik irányba. Ez a két rész aztán visszatükröződött oda, ahol szétváltak, majd újra egyesültek. Az újraegyesített fénysugár interferenciamintázatát vizsgálva az éterszél miatt bekövetkező sebességváltozást lehetett látni.
Megállapították, hogy valójában nem volt lényeges különbség a mérések között. Ez akkoriban zavarba ejtette a tudományos közösséget, és különböző új elméletek kidolgozásához vezetett az eredmény magyarázatára. A legfontosabb a Lorentz-tényező volt, amelyet Albert Einstein speciális relativitáselméletében használnak.
A Michelson-interferométer ugyanazt az elvet használja, mint az eredeti kísérlet. De fényforrásként lézert használ.
Kérdések és válaszok
K: Mi volt a Michelson-Morley kísérlet célja?
V: A Michelson-Morley-kísérlet célja az volt, hogy megvizsgálja az éter nevű anyag jelenlétét és tulajdonságait.
K: Mi az az éter?
V: Az éter egy hipotetikus anyag volt, amelyről azt hitték, hogy kitölti az üres teret, és úgy gondolták, hogy szükséges a fény mozgásához.
K: Mikor végezték el a Michelson-Morley-kísérletet?
V: A Michelson-Morley kísérletet 1887-ben végezték el.
K: Mit mutatott ki a Michelson-Morley-kísérlet?
V: A Michelson-Morley-kísérlet kimutatta, hogy az éter nem létezik.
K: Mit hittek a 18. századi tudósok az éterről?
V: A 18. századi tudósok úgy vélték, hogy az éter mindenütt körülöttünk van, és kitölti a tér vákuumát is.
K: Mit használt Michelson és Morley a kísérletük elvégzéséhez?
V: Michelson és Morley egy interferométer nevű eszközt használtak kísérletük elvégzéséhez.
K: Mit vizsgál a Michelson-Morley-kísérlet?
V: A Michelson-Morley-kísérlet Einstein speciális relativitáselméletének tesztje.
Keres