Michelson–Morley eksperiment (1887): eeteri otsing ja tulemused

Michelson–Morley eksperiment (1887): eeteri otsing ja ootamatud tulemused — kuidas interferomeeter muutis füüsika ajalugu ning tõestas eeteri puudumise.

Michelsoni-Morley eksperiment oli teaduslik katse, mille eesmärk oli leida tühja ruumi täitva aine, nn eetri olemasolu ja omadused. Katse tegid Albert A. Michelson ja Edward Morley 1887. aastal.

Kuna vees liikuvatel lainetel on vaja midagi, milles liikuda (vesi), ja ka helilainetel on vaja midagi, milles liikuda (õhk), siis arvati, et ka valgusel on vaja midagi, milles liikuda. Teadlased andsid 18. sajandil sellele ainele kreeka valgusejumala järgi nime "eeter". Nad uskusid, et eeter on kõikjal meie ümber ja et see täidab ka kosmose vaakumit. Michelson ja Morley lõid selle katse, et püüda tõestada teooriat, et eeter on olemas. Nad tegid seda interferomeetriks nimetatud seadme abil.

Katseseadeldus ja ootused

Michelsoni interferomeeter jagas ühelt valgusallikalt lähtuva kiire kaheks ning saatis need risti paiknevatesse harudesse. Pärast tagasipeegeldamist kombineeriti kaks kiirt uuesti ja jälgiti interferentsimustri triipude (fringide) asendit. Kui Maa liigub läbi eeteri, siis ühe haru suunal liikuv valgus pidi käituma veidi teistmoodi kui risti suunal liikuv valgus — see erinevus tekitaks interferentsimustris mõõdetava nihke.

Seadet pöörati tasapinnas erinevate nurkade alla, et võrrelda triipude asendit, kui üks haru oli liikumissuunaga paralleelne ja kui risti. Teoreetiliselt oodati väga väikest, kuid mõõdetavat nihket sõltuvalt Maa liikumiskiirusest eeteri suhtes.

Tulemused

Michelsoni ja Morley mõõtmised andsid ootamatult järjepidevalt nulltulemuse — nad ei täheldanud eeteri suhtes tingitud selget interferentsi nihket. See tähendas, et kas eeterit ei olnud olemas või ei mõjutanud Maa liikumine valguse kiirust sellisel viisil, nagu eeldati.

Nulltulemus oli tähtis, sest see seadis kahtluse alla lihtsa eeteri-kontseptsiooni ja sundis teoreetilisi füüsikuid otsima alternatiivseid selgitusi. Üks ajutine selgitus oli FitzGeraldi–Lorentzi kokkutõmbamisteooria, mis pakkus, et liikuva keha mõõtmed kitkuvad (kontrakteeruvad) liikumissuunas, kompenseerides interferentsi mõju.

Mõju ja järgnevad arengud

Michelsoni-Morley nulltulemused olid olulised eelsammud erirelatiivsusteooria sünnile. A. Einstein 1905. aastal põhimõtteliselt kehtestas, et valguse kiirus on vaakumis konstantne kõigi inertsiaalvaatlejate jaoks ja sellega ei vajata mehaanilist eeterit, millele valgus lainena „toetuks”. See vastus muutis fundamentaalselt arusaama ruumist, ajast ja liikumisest.

Katse ise ja selle tulemuse tõlgendused ajendasid ka mitmeid täiendavaid eksperimente ning tehnoloogilise täpsuse paranemist. Michelson sai 1907. aastal Nobeli füüsikapreemia peamiselt optiliste instrumentide täpsuse ja interferomeetriliste mõõtmiste eest.

Edasised katsed ja kaasaegne tähendus

Michelsoni–Morley eksperiment on läbi viidud veelgi täpsemate seadmetega ja erinevates variantides (nt Kennedy–Thorndike, Ives–Stilwell) — tulemused on järjekindlalt kinnitanud valguse kiiruse isotroopsust ja Lorentzi sümmeetriat väga kõrge täpsusega. Mõned kahekümnenda sajandi alguse katsed (nt Dayton Milleri mõõtmised) näitasid tundmatuid anomaaliaid, kuid hilisem analüüs on need enamasti selgitanud mõõtesüsteemi süsteemsete vigade ja keskkonnateguritega.

Tänapäeval testitakse relatiivsusteooriat ja põhimõtteid väga tundlike meetoditega (nt resonantstõmblõpud, täpse aja- ja sagedusmõõtmise abil) — kõik kaasaegsed tulemused toetavad Lorentzi invariantsust ja ei nõua klassikalist eeterit. Michelsoni–Morley eksperiment jääb siiski üheks olulisemaks katseliseks pöördepunktiks kaasaegse füüsika ajaloos.

Kokkuvõte: Michelson–Morley eksperiment püüdis mõõta Maa liikumise mõju valguse kiirusele eeteri olemasolu tuvastamiseks ja andis ootamatu nulltulemuse. See tulemus sundis ümber mõtlema ruumi ja aja olemuse ning aitas sillutada teed erirelatiivsusteooriale ja modernele arusaamale valgusest.

Eksperiment

Maa liigub väga kiiresti (üle 100 000 km tunnis) ümber Päikese. Kui eeter on olemas, siis tekitaks läbi selle liikuv Maa "tuule" samamoodi, nagu tundub, et väljaspool liikuvat autot puhub tuul. Autos olevale inimesele tunduks õhk väljaspool autot kui liikuv aine. Samamoodi peaks eeter tunduma Maal asuvatele asjadele kui liikuv aine.

Interferomeeter oli mõeldud "eetrituule" kiiruse ja suuna mõõtmiseks, mõõtes eri suundades liikuva valguse kiiruse erinevust. Seda erinevust mõõdeti valguskiirega, mis suunati ainult osaliselt hõbedaga kaetud peeglile. Osa valgusvihust peegeldub ühte suunda ja ülejäänud suundub teistpidi. Seejärel peegelduvad need kaks osa tagasi sinna, kus nad olid lahku läinud, ja kombineeruvad uuesti. Vaadeldes interferentsmustreid taasühendatud valguskiirte vahel, võis näha kõiki kiiruse muutusi, mis tulenevad eetrituulest.

Nad leidsid, et tegelikult ei olnud mõõtmistes olulisi erinevusi. See hämmastas tollast teadusringkonda ja tõi kaasa mitmesuguseid uusi teooriaid tulemuse selgitamiseks. Kõige olulisem oli Lorentzi tegur, mida kasutatakse Albert Einsteini spetsiaalses relatiivsusteoorias.

Michelsoni interferomeeter kasutab sama põhimõtet kui algne eksperiment. Kuid see kasutab valgusallikana laserit.

Küsimused ja vastused

K: Mis oli Michelsoni-Morley eksperimendi eesmärk?

K: Mis on eeter?

K: Millal viidi läbi Michelsoni-Morley katse?

K: Mida näitas Michelsoni-Morley katse?

K: Mida uskusid 18. sajandi teadlased eetri kohta?

K: Mida kasutasid Michelson ja Morley oma eksperimendi läbiviimiseks?

K: Mis on Michelsoni-Morley katse katse?

Otsing