Michelson-Morleyjev pokus: razlika između inačica

Nadopunio Michelson-Morleyev pokus
No edit summary
(Nadopunio Michelson-Morleyev pokus)
| caption2 = Očekivana razlika u fazi između zraka svjetlosti kod Michelson-Morleyevog pokusa.
}}
 
[[datoteka:Michelson-Morleyev pokus 2.png|mini|300px|desno|Put zrake [[svjetlost]]i kroz Michelsonov [[interferometar]].]]
 
[[datoteka:Michelson-Morleyev pokus 3.png|mini|300px|desno|Stvaranje [[Interferencija valova|interferencijskih]] pruga.]]
 
[[datoteka:Michelson Interferometer.jpg|mini|300px|desno|Osnova Michelsonovog [[interferometar|interferometra]].]]
 
[[datoteka:aetherWind.svg|mini|300px|desno|Nekada se pretpostavljalo se da se [[Zemlja]] kreće kroz [[medij]], nazvan [[eter]], koji služi širenje [[svjetlost]]i i drugih [[Elektromagnetsko zračenje|elektromagnetskih valova]] (slično kao [[Brzina zvuka|širenje zvuka]] u [[zrak]]u).]]
 
'''Michelson-Morleyjev pokus''' je najznačajniji i najutjecajniji [[pokus]] s takozvanim nultim rezultatom u [[Povijest fizike|povijesti znanosti]], izveden 1887. u [[Cleveland, Ohio|Clevelandu]] u suradnji [[Albert Abraham Michelson|A. A. Michelsona]] i [[Edward Williams Morley|E. W. Morleyja]]. Pokus je bio namijenjen utvrđivanju relativne [[brzina|brzine]] [[gibanje|gibanja]] [[Zemlja|Zemlje]] u odnosu na [[eter]], [[Hipoteza|hipotetičko]] sredstvo kojim se, kako se vjerovalo, šire [[val]]ovi [[svjetlost]]i. Tijekom pokusa osjetljivi Michelsonov [[interferometar]] indirektno je uspoređivao duljine putova svjetlosti, koja se gibala u dva međusobno okomita smjera: u smjeru [[Zemljina putanja|gibanja Zemlje oko Sunca]] i okomito na taj smjer. Ideja pokusa bila je jednostavna: ako je [[brzina svjetlosti]] stalna s obzirom na pretpostavljeni eter kroz koji se [[Zemlja]] giba, onda bi se njezino gibanje moglo utvrditi uspoređivanjem brzine svjetlosti u smjeru gibanja Zemlje, gdje bi trebalo doći do zbrajanja brzine svjetlosti i brzine gibanja Zemlje, s brzinom svjetlosti pod pravim kutom prema smjeru gibanja Zemlje. Međutim, razlike nije bilo, otuda naziv nulti rezultat. Izostanak tog učinka obesnažio je stoljetnu teoriju o postojanju etera i pridonio spoznaji kako je brzina svjetlosti univerzalna [[konstanta]]. Premda nije pouzdano potvrđeno da je [[Albert Einstein]] u oblikovanju [[Teorija relativnosti|teorije relativnosti]] 1905. pošao baš od toga rezultata, pokus je omogućio prihvaćanje nove [[fizika|fizike]] i novih pojmova [[prostor]]a i [[Vrijeme (fizika)|vremena]] u usporedbi s [[Klasična fizika|klasičnom Newtonovom fizikom]]. <ref> '''Michelson-Morleyjev pokus''', [http://www.enciklopedija.hr/natuknica.aspx?ID=40559] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.</ref>
 
== Objašnjenje ==
Životnim dijelom [[Augustin Jean Fresnel|A. J. Fresnela]] bila je [[svjetlost]] spoznata kao [[Valna teorija|valno kretanje]]. S valnom teorijom svjetlosti započele su bezbrojne spekulacije o svojstvima [[medij]]a kojim se širi svjetlost. Iz svojstva svjetlosti nadali su se [[fizičar]]i konstruirati fizikalnu prirodu [[eter]]a. Približnu sliku etera daju [[tekućine]] i [[Krutine|kruta tijela]] sa svojim [[deformacija]]ma i [[titranje|titrajima]]. Idealna tekućina, to jest bez [[trenje|trenja]], ne daje [[gibanje|gibanju]] [[Tijelo (fizika)|mehaničkih tijela]] nikakav otpor, pa se u njoj tijela kreću s jednolikom [[brzina|brzinom]]. To svojstvo tekućine mora imati i eter jer se u njemu kreću [[planet]]i, [[zvijezde]], makroskopski predmeti, [[atom]], bez prestanka, po načelu [[tromost]]i (inercije). S druge strane, svjetlost je [[Transverzalni val|transverzalno]] valno širenje - vrsta valnog gibanja koje je moguće samo u krutim tijelima. Eter bi morao imati izvanredno malu [[gustoća|gustoću]], a uz to [[elastičnost]] krutoga tijela. Jedno s drugim bilo je teško spojiti. Teorija elastičnog etera, koju su s tolikim naporima razvijali najveći matematičari i fizičari ([[Siméon Denis Poisson|S. D. Poisson]], [[Augustin Jean Fresnel|A. J. Fresnel]], [[Augustin Louis Cauchy|A. L. Cauchy]], [[George Green|G. Green]], [[John von Neumann|J. von Neumann]]), nailazila je na nepremostive poteškoće. I [[Michael Faraday|M. Faraday]] i [[James Clerk Maxwell|J. C. Maxwell]] pokušali su [[Elektromagnetizam|elektromagnetizmu]] staviti kao osnovu deformacije mehaničkog etera. Tim samim gubio je eter sve više mehanička svojstva. Svojstva etera postojala su sve apstraktnija. Protivno instinktivnom osjećaju čovjeka, dalji razvoj kretao se u pravcu potpunog sloma mehaničkih objašnjenja [[Elektromagnetsko zračenje|elektromagnetskih pojava]].
 
Eteru možemo pripisivati mehanička svojstva kakva god hoćemo, no jedno mora uvijek imati - to je određeno stanje gibanja. Uopće možemo smatrati, da eter miruje, pa tako možemo sva gibanja mehaničkih tijela odnositi prema tome mirnom sustavu. Svjetlost je širenje eternih deformacija, kao što je na primjer zvuk širenje [[akustika|akustičkih]] titraja [[zrak]]a. Svjetlost ima u eteru konstantnu brzinu. Prema tome, motritelji, koji se kreću prema eteru moraju nužno mjeriti različite [[brzina svjetlosti|brzine svjetlosti]]. Brzina nekog gibanja ovisi o vlastitoj motritelja koji tu brzinu mjeri. [[Zrakoplov]] ima za mene drukčiju brzinu, ako jurim za njim u autu, nego kad stojim na zemlji. Zamislimo jureći brzi vlak s 3 putnika, od kojih se prvi nalazi na početku vlaka, drugi u sredini, a treći na kraju. Neka sada srednji putnik dade pištaljkom zvučni signal. Zvuk ima konstantnu [[Brzina zvuka|brzinu u zraku]], 330 [[Metar u sekundi|m/s]]. Uzmimo da [[vlak]] juri juri brzinom od 30 m/s. Kada je srednji putnik dao zvučni signal, zvuk se počeo jednoliko širiti zrakom i dopro je do ostala dva putnika. Brzine zvuka, koje će ta dva putnika mjeriti, neće biti iste. Prvi putnik sprijeda udaljuje se vlakom od zvuka, dok putnik na kraju vlaka juri ususret zvučnim valovima. Prednji će mjeriti brzinu zvuka od 300 m/s, a stražnji od 360 m/s. Vlastite njihove brzine odbijaju se, odnosno zbrajaju brzini zvuka. Isto bi to trebalo da vrijedi i za svjetlost, ako je valno gibanje mehaničkog etera. Mjereći različite brzine svjetlosti, motritelji bi izravno mogli utvrditi svoje relativne brzine prema eteru. Gibanje Zemlje kroz mirni eter bila bi vjerna slika gibanja vlaka kroz zrak.
 
Godine 1887. izveo je Michelson svestrane pokuse, da utvrdi gibanje [[Zemlja|Zemlje]] prema eteru. Rezultati mjerenja bili su negativni i začudili su fizičare. Svjetlost je kod svih pokusa imala jednaku brzinu. Ne može biti govora o nekom relativnom gibanju prema eteru. Mi se možemo kretati kojim god brzinama hoćemo, mjerena brzina svjetlosti uvijek je ista. Jasno je da je taj rezultat u suprotnosti sa svakim shvaćanjem mehaničkog etera. Michelsonovi pokusi potresli su temelje [[Klasična fizika|klasične fizike]]. Neovisnost jedne brzine o vlastitim brzinama motritelja ruši sve klasične prestave o zbrajanju [[brzina]], o [[prostor]]u i [[Vrijeme (fizika)|vremenu]].
 
Najvažnije pokuse izveo je Michelson interferometrom koji je sam konstruirao. Predstava njegovog pokusa je vrlo jednostavna. Iz izvora izlazi svjetlost i pada na polupropusnu ploču, gdje se jedan dio odbija (reflektira) okomito, a drugi prolazi u prvobitnom smjeru. Obje zrake odbijaju se na zrcalima i vraćaju se do polupropusne ploče. Duljine okomitih krakova između ploče i zrcala su jednake. Sjedinjene zrake ulaze u dalekozor, gdje se motri interferencija.
 
Zamislimo da je Michelsonov interferometar tako postavljen da os aparata - pravac od izvora do ploče - leži u smjeru gibanja Zemlje kroz eter. Ako ispustimo zajednički put svjetlosti, tad jedna zraka ide od propusne ploče do zrcala u smjeru gibanja Zemlje, a od zrcala do propusne ploče u suprotnom smjeru. Izračunajmo vrijeme što ga svjetlost treba za taj put. Svjetlost se u eteru širi s konstantnom brzinom c. Brzinu Zemlje označimo sa v.
 
Svjetlost ne prevali, dakle, put d, koliko je dug krak interferometra, nego još put v∙t, za koliko odmakne zrcalo interferometra:
 
c∙t = d + v∙t
 
Iz te jednadžbe proizlazi vrijeme koje treba signal da u smjeru gibanja Zemlje prevali put d:
 
t = d / (c - v)
 
To možemo objasniti i zakonom o slaganju brzina. U sustavu interferometra ima svjetlost prema zrcalu relativnu brzinu c - v, pa joj je za prolaz duljine d potrebno upravo to vrijeme. Kad se svjetlost vraća od zrcala, tada joj ploča dolazi u susret, pa signal prevali manji put od duljine d:
 
c∙t’ = d - v∙t’
 
Odatle izlazi za vrijeme što ga signal treba da se vrati od zrcala do ploče:
 
t’ = d / (c + v)
 
Cjelokupno je vrijeme što ga signal potroši da prođe tamo i natrag paralelno s gibanjem Zemlje:
 
tpar = d / (c - v) + d / (c + v) = 2∙d / c ∙1 / 1 - v2 / c2
 
Približno je to jednako:
 
tpar ≈ 2∙d / c ∙(1 + (v/c)2)
 
Razmotrimo sad svjetlosni signal koji se kreće uzduž kraka, okomito na smjer gibanja Zemlje. Dok je svjetlosni signal došao do ploče zrcala, zrcalo se pomaklo okomito na krak za v∙t”:
 
(c∙t”)2 = d2 + (v∙t”)2
 
Odatle izlazi vrijeme za put svjetlosnog signala po kraku, okomitom na smjer gibanja:
 
t” = d / korj. c2 - v2
 
Cjelokupno vrijeme koje svjetlost treba da prođe put od ploče do zrcala i natrag iznosi:
 
toko = 2∙d / korj. c2 - v2 = 2∙d / c∙ 1 / korj. 1 - c2/v2
Približno je to jednako:
 
toko ≈ 2∙d / c ∙(1 + 1/2∙(v/c)2)
 
Sjedinjene zrake svjetlosti ulaze, dakle, u dalekozor s vremenskom razlikom:
 
tpar - t oko = d / c ∙ (v/c)2
 
Razlika u fazama titranja oba vala morala bi nužno izazvati interferencije. Međutim, Michelsonovi pokusi su pokazali da nema ni traga ikakvoj interferenciji. Kako god orijentirali krakove interferometra, zrake svjetlosti dolaze do dalekozora s istom fazom titranja. Gibanje Zemlje kroz eter ne utječe nikako na brzinu svjetlosti.
 
Negativan ishod Michelsonovih pokusa bio je četvrt stoljeća jedna od najvećih zagonetki fizike. Neobičnu hipotezu skraćivanja (kontrakcije) duljine u smjeru gibanja iznio je Fitz-Gerald 1892. Razlike nestaje, ako pretpostavimo da se duljine u smjeru gibanja skraćuju za faktor korj. 1 - (v/c)2, dok duljine okomite na smjer gibanja ostaju nepromijenjene. Očito je da je ta hipoteza protivna svim mehaničkim predodžbama, jer su promjene oblika vezane s djelovanjem sila, a ne stanjem gibanja. Hipotezu kontrakcije ptihvatio je odmah Lorentz, a potpuno je tek razjasnila teorija relativnosti. <ref> [[Ivan Supek]]: "Nova fizika", Školska knjiga Zagreb, 1966.</ref>
 
== Interferometar ==
 
'''Interferometar''' je [[mjerni instrument]] koji [[Elektromagnetsko zračenje|elektromagnetske]] ili [[Mehanički valovi|mehaničke valove]] izvora prima s pomoću dvaju ili više [[objektiv]]a ([[detektor]]a) pa se s pomoću pruga [[Interferencija valova|interferencije valova]] provode precizna [[mjerenje|mjerenja]]. Prvi interferometar primijenio je [[Thomas Young]] u [[pokus]]u (1805.) kojim je istraživao prirodu [[svjetlost]]i. Značajan doprinos razvoju interferometara dao je [[Albert Abraham Michelson]]: on je s pomoću interferometra (1877.) pokušao izmjeriti [[brzina svjetlosti|brzinu svjetlosti]], s [[Edward Williams Morley|Edwardom Williamsom Morleyem]] je (1887.) dokazao nepostojanje [[eter]]a. Unaprijedio je i optičke [[Astronomski instrumenti|astronomske interforometre]] kojima je mjerio promjere [[zvijezda]]. Polovicom 20. stoljeća, po načelima optičke interferometrije, konstruirani su radiointerferometri sastavljeni od dvaju i više [[radio teleskop]]a kojima je izbjegnuta gradnja velikih [[antena]] i znatno povećano kutno razlučivanje ([[dugobazična interferometrija]]). Danas se optički interferometri široko koriste za brojne namjene u [[spektroskopija|spektroskopiji]], [[astronomija|astronomiji]], [[fizika|fizici]], [[geodezija|geodeziji]] i drugim [[znanost]]ima, industriji i drugo. Ultrazvučni interferometri omogućavaju precizno određivanje brzina [[ultrazvuk]]a u [[tekućina]]ma. <ref> '''interferometar''', [http://www.enciklopedija.hr/natuknica.aspx?ID=27623] "Hrvatska enciklopedija", Leksikografski zavod Miroslav Krleža, www.enciklopedija.hr, 2016.</ref>
 
== Slike ==
 
{| cellpadding="0" cellspacing="0" style="margin:auto; border:1px solid #ccc; background:#fff;"
|-
|
{| cellspacing=3 cellpadding=3 style="background:#fff;"
|-
| style="width:144px; text-align:center;"|[[Image:Michelson-Morleyev pokus 2.png|x250px|border]]
| style="width:144px; text-align:center;"|[[Image:Michelson-Morleyev pokus 3.png|x250px|border]]
| style="width:144px; text-align:center;"|[[Image:Michelson Interferometer.jpg|x250px|border]]
|-
|align=center| Put zrake svjetlosti kroz Michelsonov interferometar.
|align=center| Stvaranje interferencijskih pruga.
|align=center| Osnova Michelsonovog interferometra.
|}
|}
 
==Izvori==