Введение
В интерферометрических экспериментах, таких как эксперимент Майкельсона — Морли, смещение интерференционной картины — это изменение рисунка "интерференционных полос" при изменении фазового соотношения между составляющими источниками. Интерференционную картину можно создать различными способами, но стабильная картина, наблюдаемая в интерферометрах типа Майкельсона, возникает из-за разделения исходного источника на два отдельных луча и последующего их воссоединения под разными углами падения на наблюдающую поверхность. Взаимодействие волн на наблюдающей поверхности чередуется между конструктивной и деструктивной интерференцией, создавая чередующиеся светлые и темные полосы. В примере интерферометра Майкельсона, одна интерференционная полоса соответствует одной длине волны света источника и измеряется от центра одной яркой полосы до центра следующей. Физическая ширина интерференционной полосы определяется разностью углов падения составляющих лучей света, но независимо от физической ширины полосы, она по-прежнему представляет собой одну длину волны света.
Исторический контекст
В эксперименте Майкельсона — Морли 1887 года ожидалось, что расстояние в обе стороны, пройденное двумя лучами по точно равным плечам, станет неравным из-за устаревшего представления о том, что свет распространяется как механическая волна со скоростью C только в системе отсчета светоносного эфира. Предполагалось, что движение Земли сквозь этот эфир создаёт локальный «эфирный ветер» в движущейся системе отсчета интерферометра, подобно тому, как автомобиль, движущийся в неподвижном воздухе, создаёт кажущийся ветер для находящихся внутри. Важно избегать исторической ошибки и отметить, что эти экспериментаторы не ожидали, что механическая волна будет распространяться с разной скоростью в однородной изотропной среде эфира. Волны изучались с античности, а математически – по крайней мере, со времен Жана Лерона Даламбера в 1700-х годах. Однако наше современное понимание постоянства скорости света позволяет ввести дополнительную, новую, «немеханическую» классификацию волн и, как следствие, новое 4D-поведение электромагнитных волн, что радикально меняет интерпретацию того, что на самом деле измеряет эксперимент Майкельсона — Морли. Волны немеханической природы были осмыслены лишь после работ Эйнштейна и Минковского, и электромагнитные волны больше не рассматриваются как механические, поэтому интерпретация эксперимента изменилась в современных источниках. Теперь считается, что он сравнивает скорость света в разных направлениях, а не разность хода, которую ожидали Майкельсон и теоретики эфира того времени.
Расстояние против ожидаемой скорости
В отличие от современного понимания этого эксперимента, они не ожидали измерить скорость света, а зафиксировать изменения предполагаемых "истинных" дополнительных расстояний, проходимых светом, и, следовательно, лишь "кажущиеся" измеренные скорости. В механической волновой модели, принятой для объяснения поведения света в то время, движение Земли должно было приводить к тому, что волны, направленные по направлению ветра, должны были бы "догонять" ведущее зеркало, которое в системе отсчета эфира удалялось бы непосредственно от начальной позиции источника света, в то время как свет двигался бы "поперек" ветра вдоль плеч интерферометра, перпендикулярных движению эксперимента, и испытывал бы меньшее влияние. Таким образом, подобно волнам на воде, вынужденным двигаться вместе с движущейся водой мимо плывущего наблюдателя, предполагаемые механические волны света в эфире должны были бы "проходить большее расстояние в эфире", чтобы не отставать от движущегося эксперимента. Иными словами, волны должны были бы преодолевать большее расстояние в системе отсчета эфира, чтобы "догнать" движущийся эксперимент и наблюдателя. В системе отсчета движущегося эксперимента это должно было бы приводить к разнице во времени прибытия, вызывающей изменение фазового сдвига. В системе отсчета (предполагаемого) движущегося интерферометра измеренное равенство расстояний между зеркалами в сочетании с разницей во времени прибытия также указывало бы на разницу в скорости света, что и является современным пониманием. Согласно современному релятивистскому объяснению, "кажущаяся разница в скорости", предсказанная теорией эфира, могла бы быть только реальной разницей в скорости, поэтому мы теперь ожидаем, что эксперимент всегда будет давать нулевой результат. Таким образом, эксперимент Майкельсона-Морли представляет собой двухстороннее измерение скорости света в контексте современной точки зрения и специальной теории относительности, которая заменила механическое понимание света как "эфирной волны", принятое во время проведения эксперимента.
Результаты
В то время как в современном контексте этот эксперимент считается предназначенным лишь для измерения скорости, механическая теория волн того времени ожидала смещения интерференционных полос, соответствующего "дополнительной длине пути". Было рассчитано, что это должно было привести к сдвигу времени прибытия в детектор и фазовому сдвигу в 0,4 длины волны. Это означало, что при вращении плеч интерферометра навстречу и против потока эфира, вертикальные интерференционные полосы должны были смещаться на 0,4 ширины полосы влево и вправо для наблюдателя, то есть в общей сложности на 0,8 полосы от максимума до минимума. Микельсон сообщил, что было обнаружено лишь от одной шестой до одной четверти ожидаемого значения.