From Wikipedia, the free encyclopedia
L'experiment de Michelson-Morley fou un crucial experiment de la història de la física. Realitzat a 1887 per Albert Abraham Michelson i Edward Morley, és considerada la primera prova a la teoria del èter. El resultat de l'experiment constituiria posteriorment la base experimental de la teoria de la relativitat especial de Einstein.
La teoria física del final del segle xix postulava que, igual que les onades i el so són ones que necessiten un mitjà per transportar (com el aigua o el aire), la llum també necessitaria un mitjà, anomenat "èter". Com que la velocitat de la llum és tan gran, dissenyar un experiment per detectar la presència de l'èter era molt difícil.
El propòsit de Michelson i Morley era mesurar la velocitat relativa a la qual es mou la Terra pel que fa al èter.
Cada any, la Terra recorre una distància enorme en la seva òrbita al voltant del Sol, a una velocitat de 30 km/s (més de 100.000 km/h). Es creia que la direcció del "vent de l'èter" pel que fa a la posició de la nostra estrella variaria a mesurar-se des de la Terra, i així podria ser detectat. Per aquesta raó, i per evitar els efectes que podria provocar el Sol en el "vent" en moure's per l'espai, l'experiment hauria de dur a terme en diversos moments de l'any.
L'efecte del vent de l'èter sobre les ones de llum, seria com el del corrent d'un riu sobre un nedador que es mou a favor o en contra d'ella. En alguns moments el nedador seria frenat, i en altres impulsat. Això és el que es creia que passaria amb la llum en arribar a la Terra amb diferents posicions respecte al èter: hauria d'arribar amb diferents velocitats. La clau és que, en viatges circulars, la diferència de velocitats és molt petita, de l'ordre de la milionèsima de la milionèsima d'un segon. No obstant això, Michelson, molt experimentat amb el mesurament de la velocitat de la llum, va idear una manera de mesurar aquesta mínima diferència.
A la base d'un edifici proper al nivell del mar, Michelson i Morley van construir l'interferòmetre de Michelson. Es compon d'una lent semiplatejada o semimirall, que divideix la llum monocromàtica en dos feixos de llum que viatgen en un determinat angle l'un respecte a l'altre.
Amb això s'aconseguia enviar simultàniament dos raigs de llum (procedents de la mateixa font) en direccions perpendiculars, fer-los recórrer distàncies iguals (o rutes òptiques iguals) i recollir en un punt comú, on es crea un patró d'interferència que depèn de la velocitat de la llum en els dos braços de l'interferòmetre. Qualsevol diferència en aquesta velocitat (provocada per la diferent direcció de moviment de la llum pel que fa al moviment de l'èter) seria detectada.
Descripció, de manera esquemàtica, de com es va desenvolupar aquest experiment:
La distància entre els miralls i el semiespejo té una longitud "L", és a dir, el "Recorregut 1" és igual al "Recorregut 2".
Hi ha una diferència entre els recorreguts 1 i 2 observats a la Terra i fora de la Terra (observador extern). Els recorreguts per a l'observador extern (fora del planeta), el qual està en repòs, seran:
Com:
S'ha llavors que:
Finalment, obtenim després de simplificar, que l'Recorregut 1 és igual a:
Per obtenir el Recorregut 2 es té el següent (Veure Figura 3):
Per trobar t1 i t2 es pot suposar que a l'anada (t1) la llum va a una velocitat cv i la distància segueix sent L, i igualment per a la tornada (t2) es pot suposar que la velocitat és c+vi la distància L. Aleshores s'ha de: t1 = l/(c-v) i t2 = l/(c+v):
on L 1 és la distància mesurada per un observador en moviment amb velocitats "v" sent "c" la velocitat de la llum i L 2 és la distància mesura per un observador en repòs. I per al cas de l'interferòmetre, a examen, la contracció correspondria a la reducció de la longitud d'un dels seus braços, el que explicaria el motiu pel qual tots dos feixos de llum van arribar simultàniament al seu destí (van arribar en fase). L'analogia usada per Michelson i Morley es refereix a dos vaixells, un riu i un observador.
Investigador | Any de l'experiment | Metres de cada Braç de l'interferòmetre L 1 i L 2 | Desplaçament de franja predit | Límit superior del desplaçament observat | Lloc | Upper Limit on V Aether | predit v/s Observat % |
Observa. |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Michelson | 1881 | 02/01 | 0,4 | 0,02 | Potsdam | 50% | (A) | |
Michelson i Morley | 1887 | 11.0 | 0,4 | <0.01 | Cleveland | 8 km/s | 25% | (B) |
Morley i Miller | 1902-1904 | 32.2 | 13/01 | 0.015 | Cleveland | 1,33% | ||
Miller | 1921 | 32.0 | 01/12 | 0,08 | Mt Wilson | 7,14% | ||
Miller | 1923-1924 | 32.0 | 01/12 | 0,03 | Cleveland | 2,68% | ||
Miller (llum solar) | 1924 | 32.0 | 12/01 | 0.014 | Cleveland | 1,25% | ||
Tomascheck (llum estelar) | 1924 | 06/08 | 0,3 | 0,02 | Heidelberg | 6% | ||
Miller | 1925-1926 | 32.0 | 01/12 | 0.088 | Mt Wilson | 7,86% | ||
Kennedy (Mt Wilson) | 1926 | 2.0 | 0,07 | 0.002 | Pasadena i Mt Wilson | 2,85% | ||
Illingworth | 1927 | 2.0 | 0,07 | 0,0002 | Pasadena | 1 km/s | 0,285% | |
Piccard i Stahel (Rigi) | 1927 | 08/02 | 0,13 | 0.006 | Mt Rigi | 4,62% | ||
Michelson i col·laboradors | 1929 | 25/09 | 0,9 | 0,01 | Mt Wilson | 1,12% | ||
Joos | 1930 | 21.0 | 0,75 | 0.002 | Jena | 0,267% | ||
Si l ' diferència de trajectòria òptica -que hi ha entre els feixos al interferòmetre de Michelson - varia en una distància igual a la longitud d'ona, llavors, una ratlla o franja haurà de traslladar- a través del reticle de la mira d'observador. Si ΔN representa el nombre de franges que passen pel reticle, a mesura que l'espectre es corre, i si s'utilitza llum de longitud d'ona λ , de manera que el període d'una vibració sigui T = 1/v = λ/c , llavors:
Si es varia la longitud d'alguns dels camins òptics de l'interferòmetre (la longitud d'un dels braços de l'instrument), les franges d'interferència es mouen a través de la pantalla a mesura que en cada punt les ones es reforcen i len successivament. Per això, l'aparell estacionari no ens pot dir res referent a diferències de temps en el recorregut dels dos camins (els braços de l'interferòmetre). Tanmateix, si es gira l'aparell 90 º, els dos camins canvien la seva orientació respecte a la hipotètica corrent d'èter, de tal manera que el raig que abans necessitava un temps t 1 per el recorregut total, requereix ara un temps t 2 i viceversa. Si aquests temps són diferents, les franges es mouran a través de la pantalla durant el gir.
On v és la velocitat de l'èter que prendrem igual a la velocitat de rotació de la terra en la seva òrbita de valor 3 x m/s i c és la velocitat de la llum de valor 3 x m/s
Com el desplaçament de franges d'interferència es verifica en els dos recorreguts, el desplaçament total hauria de ser de 2N a dir 0,4 franges. Un desplaçament d'aquesta magnitud és fàcilment observable, i en conseqüència Michelson i Morley tenien esperança de demostrar directament l'existència de l'èter.
Irònicament, després de tota aquesta preparació, l'experiment va ser fallit, encara que reeixit. En lloc de mostrar les propietats de l'èter, no es va produir cap alteració de velocitat de la llum i, per tant, cap dels efectes que el "vent de l'èter" havia de produir. L'aparell es va comportar com si no hagués "vent de l'èter". Aquest sorprenent resultat no podia ser explicat per la teoria de les ones vigent en l'època. Es van intentar moltes explicacions, com que la Terra arrossegava d'alguna manera al propi èter, però totes elles van resultar ser incorrectes.
Ernst Mach va ser un dels primers físics a considerar que el resultat de l'experiment era correcte i va suggerir una nova teoria. Les investigacions iniciades arran de l'experiment van portar a una teoria alternativa consistent, la contracció de Lorentz, que explicava el resultat nul obtingut. El desenvolupament d'aquesta teoria va desembocar en la relativitat especial de Einstein.
Els detractors sostenen que és errònia la interpretació assignada al resultat lliurat per l'experiment realitzat per Michelson i Morley, per a això, entre altres coses, s'analitza l'analogia de Michelson-Morley
La llum es desplaça en diversos mitjans materials; un d'aquests mitjans és l'aire atmosfèric que viatja adossat a la Terra. En ambdós braços del interferòmetre de Michelson i Morley, la llum, es va desplaçar a través de l'aire atmosfèric que estava a tot arreu de l'instrument, mitjà, que en estar adossat a la Terra, viatja a la mateixa velocitat que aquest planeta, el que implica que tots els esdeveniments - en relació amb l'experiment realitzat per Michelson i Morley - van succeir en el mateix sistema inercial. I sabut és, que « Cap experiment mecànic, efectuat totalment dins d'un sistema inercial, pot indicar l'observador quin és el moviment d'aquest sistema respecte a qualsevol altre sistema inercial », excepte amb un pèndol o amb un giroscopi
En aquest interferòmetre es van utilitzar dos feixos de llum que es va desplaçar, no a través del buit sinó de l'aire, dues trajectòries òptiques diferents, determinades per un sistema de miralls i plaques que, finalment, convergeixen per formar un patró d'interferència, per causa de la diferència de la velocitat.
Aquí no s'està parlant de la Velocitat de la llum en un medi material, ni tampoc del Índex de refracció, sinó d'un altre esdeveniment molt diferent. En efecte, s'està dient que si l'observador, com l'instrument de mesura, es troba ubicat dins del mateix sistema de referència que té el medi en el qual es desplaça la llum (Per exemple: l'aire atmosfèric), esdevindrà que, aquest observador, no s'adonarà de la velocitat de desplaçament del medi.
Per tant, si els feixos de llum van viatjar per l'aire, és incorrecte utilitzar la velocitat de la llum en el buit c , ja que, en aquest cas s'ha d'usar la velocitat de la llum en l'aire v . On, per l'observador terrestre:
En aquestes condicions, la velocitat de la llum, en el medi "aire", sempre serà la mateixa, sigui quina sigui la direcció i sentit en el qual, els feixos de llum, es desplacin a cada braç de l'interferòmetre, el que impedeix detectar la suposada "variació de velocitat" que Michelson i Morley equivocadament van suposar podrien mesurar amb el seu instrument. En aquest experiment, la llum, va viatjar per l'aire adossat a la Terra, i no pel Èter, que a aquells investigadors els permetria visualitzar l'addició de velocitats, o la diferència de velocitat que la llum tindria en cada braç l'interferòmetre.
(On el valor de l'angle beta (Δβ) és diferent per a cada fracció)
Les hipòtesis proposades pels detractors són:
Una novel·la de ficció per absurda que sigui pot complir a plenitud amb totes les regles gramaticals, així també podria donar el cas que una correcta fórmula matemàtica s'utilitzi per fonamentar una fal·làcia, una impostura o una errònia interpretació. En efecte, l'acatament gramatical en un text no és garantia que, el que es assevera en una novel, sigui veritat, com tampoc és una prova absoluta que, l'existència d'una fórmula matemàtica, sigui una garantia irrefutable que la teoria sigui correcta, i per això mateix ella representi la realitat. En paraules de Mario Bunge: «A un mateix esquelet matemàtic poden ésser assignat una pluralitat de significats, i algunes de les estructures matemàtiques interpretades seran veritables mentre que altres resultaran falses.»
La major part de les hipòtesis científiques estan revestides d'una correcta forma matemàtica, però, algunes d'aquestes hipòtesis poden resultar ser falses.
El test d'Fizeau efectuat amb el Interferòmetre de Fizeau, realitzat l'any 1851, va tenir per l'objectiu diferenciar entre l ' teoria de l'èter estàtic i la del èter arrossegat pel medi en què viatja la llum. Si l'aigua en moviment no arrossegava l'èter en absolut no hauria d'haver diferència entre la velocitat de la llum a l'aigua en repòs. Si l'aigua arrossegava totalment al èter la velocitat mesura hauria de ser més gran. El resultat que va obtenir Fizeau - mitjançant la interferometria - va ser sorprenent. L'instrument va lliurar un resultat que es va interpretar que concordava, més o menys, en un 56,5% amb una de les teories i en un 43,5% amb l'altra.
El experiment Trouton-Noble va ser un altre famós experiment dut a terme el 1901-1903 en què s'intentava mesurar la velocitat de desplaçament de la Terra respecte al èter per mitjà d'efectes electrostàtics a condensador és. Els seus resultats van ser també negatius confirmant els resultats de Michelson-Morley.
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.