Кіріспе

Интерферометриялық эксперименттерде, мысалы Микельсон-Морли экспериментінде, жолақ ығысуы – компоненттік көздер арасындағы фазалық қатынас өзгерген кезде "жолақтардың" үлгісінің қалай өзгеретінін көрсетеді. Жолақ үлгісін жасаудың көптеген тәсілдері бар, бірақ Микельсон типіндегі интерферометрлердегі тұрақты жолақ үлгісі бастапқы көзді екі жеке сәулеге бөлуден және оларды көру бетінде әртүрлі түсу бұрыштарында қайта біріктіруден туындайды. Толқындардың көру бетіндегі өзара әрекеттесуі құрылғылық және бұзушылық интерференция арасында кезектесіп өтеді, нәтижесінде қара және ақ сызықтар тізбегі пайда болады. Мысалы, Микельсон интерферометрінде бір жолақ – жарық көзінің бір толқын ұзындығын көрсетеді және ол бір жарқын сызықтың ортасынан келесі сызықтың ортасына дейін өлшенеді. Жолақтың физикалық ені жарық сәулелері компоненттерінің түсу бұрыштарының айырмашылығымен анықталады, бірақ оның физикалық еніне қарамастан, ол әлі де жарықтың бір толқын ұзындығын білдіреді.

Тарихи мәнмәтін

1887 жылғы Майклсон-Морли экспериментінде екі сәуленің дәл тең қолдармен жүріп өткен қашықтығы тең емес болуы күтілді, себебі бұл идея қазір қолданылмайды – жарық тек жарық эфирінің тыныш тұру қабатында ғана C жылдамдығымен механикалық толқын ретінде тарайды деп есептелді. Жердің осы қабат арқылы қозғалысы интерферометрдің қозғалмалы қабатында жергілікті эфир "желін" тудырады деп саналды, сияқты автомобиль тыныш ауадан өткенде ішіндегілерге желдің сезімін ұялатады. Тарихшының қателігіне жол бермеу өте маңызды, және бұл экспериментаторлар механикалық толқынның эфирдің біртекті және изотропты ортасында әртүрлі жылдамдықпен таралатынын күтпегенін атап өту керек. Толқындар ежелден зерттелген, ал математикалық тұрғыдан 1700 жылдардан бері Жан ле Ронд д’Алембер жұмыстарынан бастап зерттелді. Дегенмен, жарық жылдамдығының тұрақтылығы туралы қазіргі заманғы түсінігіміз толқындардың қосымша, жаңа, «механикалық емес» санатына енгізілуіне және электромагниттік толқындардың жаңа 4D мінез-құлқына мүмкіндік береді, бұл Майклсон-Морли экспериментінің не өлшейтінін түбегейлі өзгертеді. Бұл жаңа түсінік тек Эйнштейн мен Минковскийдің жұмысынан кейін ғана пайда болды, электромагниттік толқындар енді механикалық деп есептелмейді, сондықтан эксперименттің түсіндірілуі заманауи көзқарас бойынша өзгертілді. Қазір біз бұл эксперименттің Микельсон мен сол кездегі эфир теориялықтары күткен жол ұзындығының айырмашылығын емес, әртүрлі бағыттардағы жарық жылдамдығын салыстыруға арналғанын қабылдаймыз.

Қашықтық пен жылдамдықтың болжамы

Қазіргі заманғы түсінігіне қайшы, олар бұл эксперименттің жарық жылдамдығын өлшеуге арналғанын күтпеді, бірақ жарық жүріп өткен "шынайы" қосымша қашықтықтардың өзгеруін, демек, "көрінетін" жылдамдықтарды өлшеуге тырысты. Жарықтың мінез-құлқы үшін заманауи экспериментпен бірдей болжамдалған механикалық толқын жүйесінде, Жердің қозғалысы желге қарай бағытталған толқындардың жетекші айнаға "жете алуына" себеп болар еді, ол эфирлік кеңістікте жарық көзінің бастапқы орнынан тікелей қашып бара жатыр. Бірақ жарық эксперимент қозғалысына перпендикуляр бағытталған қолдар бойында желмен "қатар" қозғалып, аз әсер ететін еді. Осылайша, қайықпен жүріп бара жатқан бақылаушының өтуімен су толқындарының қозғалысы шектелгендей, эфирдегі жарықтың болжамдалған механикалық толқындары да қозғалатын экспериментке ілесу үшін "көп эфирді аралап өтуі" керек еді. Эфирлік кеңістіктегі толқындар қозғалатын экспериментке және бақылаушыға "жету" үшін үлкен қашықтықты жүреді. Қозғалатын эксперименттің аясында бұл фазалық үйлесімді өзгертетін келу уақытының айырмашылығына әкелуі керек еді. (Құрылған) қозғалатын интерферометрдің кеңістігінде айналар арасындағы аралықтың өлшенген теңдігі келу уақытының айырмашылығымен бірге жарық жылдамдығының айырмашылығын көрсетеді, бұл қазіргі түсінік. Қазіргі салыстырмалық теория бойынша эфирлік түсіндірмедегі "көрінетін жылдамдық айырмашылығы" жылдамдықтың нақты айырмашылығы ғана болуы мүмкін, сондықтан біз эксперимент әрқашан нөлдік нәтиже береді деп күтеміз. Сондықтан, Микельсон-Морли эксперименті – қазіргі заманғы көзқарас пен арнайы салыстырмалық теория аясындағы жарық жылдамдығын екі бағытта өлшеу эксперименті болып табылады, ол эксперимент заманындағы жарық туралы механикалық "эфирлік толқын" түсінігін ығыстырды.

Нәтижелер

Қазіргі заманда бұл эксперимент тек жылдамдықты өлшеу деп есептелсе де, сол кездегі механикалық толқын теориясы "қосымша жол ұзындығына" сәйкес келетін шеттердің ығысуын күткен. Есептеулер бойынша, бұл детекторға келу уақытының өзгеруіне және 0,4 толқын ұзындығына тең фазалық ығысуға алып келуі тиіс еді. Яғни, интерферометрдің қолдары эфир ағынына қарай және қарсы бағытта бұрылғанда, тік шеттер көрермен үшін 0,4 шет еніне солға да, оңға да жылғалы керек еді, яғни максимумнан минимумға дейін барлығы 0,8 шетке дейін. Микельсон күтілген көрсеткіштің тек 1/6 және 1/4 бөлігі ғана табылды деп хабарлады.