Michelson–Morley-experimentet (1887): jakten på etern och interferometern
Upptäck Michelson–Morley-experimentet (1887): jakten på etern och interferometerns avgörande nullresultat som förändrade våra föreställningar om ljus och rymdens vakuum.
Michelson-Morley-experimentet var ett vetenskapligt experiment för att hitta förekomsten och egenskaperna hos en substans som kallas eter, en substans som tros fylla tomma utrymmen. Experimentet utfördes av Albert A. Michelson och Edward Morley 1887.
Eftersom vågor i vatten behöver något att röra sig i (vatten) och ljudvågor också behöver något att röra sig i (luft), trodde man att ljuset också behövde något att röra sig i. Forskare på 1700-talet gav detta ämne namnet "eter", efter den grekiska ljusguden. De trodde att etern fanns överallt omkring oss och att den också fyllde rymdens vakuum. Michelson och Morley skapade detta experiment för att försöka bevisa teorin om att eter existerade. De gjorde detta med en anordning som kallas interferometer.
Interferometerns princip och upplägg
Michelson–Morley-interferometern delade upp en ljusstråle i två strålar som färdades i två vinkelräta riktningar längs två armar. En halvgenomskinlig spegel (beamsplitter) skickade ljuset längs de två armarna, där varje stråle reflekterades tillbaka mot samma punkt och återförenades. När de två strålarna möttes igen skapade deras relativa fasförskjutning ett interferensmönster av ljusa och mörka fransar. Mindre ändringar i den relativa restiden längs de två armarna gav märkbart skift i dessa fransar.
Idén bakom experimentet var att jorden, i sin bana runt solen, borde röra sig genom den antagna etern och därigenom uppleva en "etervind". Om etern fanns skulle ljusets hastighet uppmätt längs rörelseriktningen genom etern skilja sig något från hastigheten vinkelrätt mot rörelsen, vilket skulle ge ett mätbart skift i interferensfransarna när instrumentet vrids.
Förväntat resultat och det faktiska utfallet
Michelson och Morley förväntade sig en liten men tydlig fransförskjutning när instrumentet roterades 90°, motsvarande skillnaden i ljusets effektiva färdtid längs de två armarna. Den förväntade storleken på skiftet var mycket liten (proportionell mot (v/c)^2, där v är jordens hastighet genom etern och c ljusets hastighet), men inom interferometerns mätbarhet för den konstruktionen.
Resultatet blev dock i praktiken ett i huvudsak nollresultat: den observerade fransförskjutningen var mycket mindre än förväntat och ofta inom mätosäkerheten. Michelson och Morley gjorde noggranna upprepningar och förbättringar men fann inga tydliga tecken på den förväntade etervinden.
Betydelse och konsekvenser
- Kraftig inverkan på eter-idén: Det oväntade nollresultatet underminerade den klassiska bilden av en stationär, genomträngande eter och satte frågetecken kring det enkla vågtransportparadigmet för ljus.
- Tillfälliga förklaringsförsök: För att rädda eterbegreppet föreslog bland andra FitzGerald och Lorentz en kontraktion av kroppar i rörelseriktningen (FitzGerald–Lorentz-kontraktionen) som en möjlig förklaring till varför förskjutningen inte syntes.
- Vägledande för ny teori: Resultaten bidrog starkt till utvecklingen av Lorentz-transformationerna och lade viktig grund för Albert Einsteins speciella relativitetsteori (1905), som förklarade ljusets konstanta hastighet utan behov av eter.
- Modern verifiering: Sedan dess har många upprepningar och förbättrade experiment (Kennedy–Thorndike, modern laserspektrometri, klock- och resonatorförsök) ökat precisionen kraftigt och bekräftat att ljusets hastighet är isotropisk inom mycket snäva gränser.
Exakthet och historisk eftersmak
Experimentet utfördes 1887 i Cleveland, USA, och blev ett ikoniskt exempel på noggrann experimentell metod. Albert A. Michelson belönades senare med Nobelpriset i fysik 1907, i stor utsträckning för sina noggranna optiska instrument och mätningar, däribland arbete relaterat till mätningar av ljusets hastighet. Edward Morley var känd som en mycket noggrann experimentell fysiker och för andra precisa mätningar inom kemi och fysik.
Sammanfattningsvis var Michelson–Morley-experimentet ett avgörande steg i övergången från klassisk vågteori med en materiell eter till den moderna beskrivningen av rummet och tiden. Experimentets noggrannhet och det oväntade nollresultatet tvingade fysiker att ompröva grundläggande antaganden och bidrog direkt till den teoretiska utveckling som ledde till relativitetsteorin.
Experimentet
Jorden rör sig mycket snabbt (mer än 100 000 km i timmen) runt solen. Om eter existerar skulle jorden som rör sig genom den orsaka en "vind" på samma sätt som det verkar finnas en vind utanför en bil i rörelse. För en person i bilen skulle luften utanför bilen verka som en rörlig substans. På samma sätt bör etern verka som en rörlig substans för saker på jorden.
Interferometern utformades för att mäta hastigheten och riktningen på "eternvinden" genom att mäta skillnaden mellan ljusets hastighet i olika riktningar. Den mätte denna skillnad genom att lysa en ljusstråle in i en spegel som endast delvis var belagd med silver. En del av strålen skulle reflekteras åt ena hållet och resten åt andra hållet. Dessa två delar reflekteras sedan tillbaka till den plats där de delades upp och återkombinerades. Genom att titta på interferensmönster i den rekombinerade ljusstrålen kunde man se eventuella hastighetsförändringar på grund av eternvinden.
De fann att det faktiskt inte fanns någon större skillnad i mätningarna. Detta förbryllade forskarsamhället vid den tiden och ledde till att olika nya teorier skapades för att förklara resultatet. Den viktigaste var Lorentzfaktorn, som används i Albert Einsteins speciella relativitetsteori.
En Michelsons interferometer använder samma princip som det ursprungliga experimentet. Men den använder en laser som ljuskälla.
Frågor och svar
F: Vad var syftet med Michelson-Morley-experimentet?
S: Syftet med Michelson-Morley-experimentet var att testa förekomsten av och egenskaperna hos ett ämne som kallas eter.
F: Vad är aether?
S: Aether var ett hypotetiskt ämne som ansågs fylla tomrummet och som ansågs vara nödvändigt för att ljus skulle kunna röra sig genom det.
F: När genomfördes Michelson-Morley-experimentet?
S: Michelson-Morley-experimentet genomfördes 1887.
F: Vad visade Michelson-Morley-experimentet?
S: Michelson-Morley-experimentet visade att etern inte existerade.
F: Vad trodde 1700-talets vetenskapsmän om etern?
S: 1700-talets vetenskapsmän trodde att etern fanns överallt omkring oss och även fyllde rymdens vakuum.
F: Vad använde Michelson och Morley för att genomföra sitt experiment?
S: Michelson och Morley använde en apparat som kallas interferometer för att genomföra sitt experiment.
F: Vad är Michelson-Morley-experimentet ett test av?
S: Michelson-Morley-experimentet är ett test av Einsteins speciella relativitetsteori.
Sök