مطالب مشابه
آزمایشات اتر قسمت اول – اتر چیست؟ آقای لِسو مک تئوری الکترومغناطیس خود را در سال 1865میلادی ارائه داد. او تئوری خود را بر اساس وجود محیط بخصوصی برای انتشار نور پایه ریزی کرده بود، محیطی که وجودش برای انتشار امواج نور و سایر امواج الکترومغناطیسی ضروری بود. در آن زمان، آن محیط را به نام اِتِر نامگذاری کرده بودند. …
آزمایش مایکلسون – مورلی
از نظرات و توضیحات تسلا، ماکسول و بسیاری دیگر همه ما متوجه شده ایم که نور از طریق محیطی به نام اتر حرکت می کند. موجی که نیاز به یک محیط متراکم برای انتشار دارد، “الاستیک” یا “مکانیک” نامیده می شود، زیرا از طریق یک محیط الاستیک یا مکانیکی حرکت می کند. در این بخش میخواهیم درباره آزمایشات مایکلسون – مورلی صحبت کنیم که بخش عمده ای از این آزمایشات تداخل نور است. خواهیم دید که چگونه زمانی که زمین را ثابت در نظر بگیریم، فرمول های پشت این آزمایش را می توان به شیوه ای بسیار ساده توضیح داد.
تداخل، زمانی اتفاق می افتد که نتیجه دو موج موجب تشکیل یک موج می شود که می تواند یک دامنه بزرگتر(یا بیشتر)، کمتر(یا پایین تر) و یا یکسان داشته باشد.
یک موج که در امتداد محور xحرکت می کند، توسط عبارتی بیان می شود که معادله موج را بدست می آورد (معادله D’Alembert):
fتابع موج، vسرعت موج و tزمان است. یک راه حل ممکن از معادله موج، موج هارمونیک شرح داده شده توسط معادله زیر است:
f = Acosα (x, t) = Acos (kx-ωt + ϕ0 )
در اینجا Aدامنه موج، kفاکتور موج، ωپالس و φ0فاز اولیه است.
بگذارید ۲موج را در نظر بگیریم و آنها را جمع کنیم (تداخل): f = f1 + f2
تداخل زمانی سودمند است که:
در این مورد دامنه بصورت زیر است:
تداخل زمانی مخرب است که:
در این حالت دامنه بصورت زیر است:
با استفاده از ابزارهای خاص (به عنوان مثال آینه های فرنل،) می توان تداخل بین دو موج منسجم را که حاوی حاشیه هایی هستند که در ناحیه های روشنایی متناوب با ناحیه های مبهم ظاهر می شوند، تجسم کرد.
ابزار نمایش داده شده در تصویر(تصویر بالا)، تداخل سنج مایکلسون است. یک پرتو نور که از منبع Sخارج می شود، در آینه متحرک M1منعکس شده و به آینه ثابت M2منتقل می شود. اشعه نور برگشتی از M1و M2ابتدا با شکافنده پرتو برخورد کرده و سپس بر روی آشکارساز می افتد که بر روی لنز شکافنده فوکوس است.
آشکارساز دو پرتو منسجم از نور را دریافت می کند که از منبع یکسانی منتقل می شوند (منسجم بدان معنی است که این اشعه ها فاز مشابهی دارند.) این اشعه ها، بسته به مسیر نوری که از فاصله های AM1و AM2می آید یکی از M1و دیگری از ، M2با یکدیگر تداخل، همدیگر را تقویت و یا تضعیف میکنند.
با تغییر فاصله مناسب ،AM1ممکن است تداخل با حداکثر یا حداقل شدت در ( Oآشکارساز) تولید شود.با تغییر فاصله AM1از ( λ / 4که λطول موج پرتو تابشی نور است) شما می توانید از حداقل تا حداکثر عبور کنید. یک لنز جبران کننده دقیقا برای تولید مسیر نوری یکسان در دو پرتو استفاده می شود.
در سال ۱۸۸۱مایکلسون و مورلی آزمایشی را انجام دادند تا ببینند آیا به همان شیوه که صوت نیاز به یک محیط الاستیسیته (مانند هوا یا آب) برای انتشار دارد، به همین ترتیب، نور نیز برای پخش شدن به یک محیط مکانیکی نیاز دارد یا خیر؟ محیطی به نام اتر.
اتر باید در فضای بین زمین و ستارگان قرار داشته باشد تا نور از ستارگان به زمین برسد. این بدان معنی است که فضا خالی نیست: خلاء فقط خلاء هوا است، اما خلاء مطلق نیست.
cرا سرعت نور در اتر در نظر بگیرید.هنگامی که شما به سمت پرتو نور درون اتر ثابت با سرعت Vحرکت می کنید، باید سرعت کل نور را C + Vاندازه گیری کنید، اما هنگامی که شما در خلاف مسیر پرتو نور حرکت کنید، باید c-vرا اندازه گیری کنید. این توضیحات مربوط به نسبیت گالیله است.
مایکلسون و مورلی فکر کردند که این اصل را می توان برای بررسی اینکه آیا اتر وجود دارد یا خیر، استفاده کرد. آنها فکر کردند که می توان از تداخل سنج برای ارزیابی تغییرات حاشیه تداخل مطابق سرعت زمین(یا به علت حرکت زمین) استفاده کرد.
ایده آنها این بود:
زمانی که شما یک شاخه از تداخل سنج را در جهت سرعت زمین قرار دادید (v) و شاخه دیگر عمود بر اولی، یک طرح دقیق از حاشیه های تداخل به دست می آورید. سپس، با چرخاندن ۹۰درجه تداخل سنج ، می توانید دو شاخه تداخل سنج را معکوس (یا متوقف) کنید. از آنجا که مسیر نوری نیز تغییر می کند، حاشیه ها باید تغییر کنند. بیایید محاسبات را ببینیم. دو شاخه تداخل سنج AM1و AM2طول یکسان دارند. شاخه AM2در جهت حرکت لابراتور و نسبت به اتر کیهانی چرخانده شده است. وقتی که ما اتر را بدون حرکت، ثابت نسبت به ستارگان در نظر میگیریم، جهت و ماهیت سرعت زمین (v) باید بسته به ساعتی از روز و روزی از سال باشد. برای قانون S = vxtاز حرکت یکنواخت بر روی خط راست، پرتو نور که از Aبه M2برسد زمان ( t=l/(c-vرا صرف میکند. برای بازگشت از M2به Aیک زمان ( t = l / (c + vطول می کشد.
کل زمان برای شاخه AM2عبارت است از:
زمان t1از شاخه دیگر (AM1) مقدار دیگری دارد. برای این مورد ما باید به یاد داشته باشیم که زمین در طول زمان t1حرکت می کند. بنابراین مسیر کل پرتو به صورت مثلثی است.
در حالی که پرتو نور از Aبه M1حرکت می کند، آینه Aدر جهت سرعت زمین حرکت می کند. این فاصله ‘ AAرا می توان با در نظر گرفتن سرعت vو زمان t1مورد نیاز برای نور به منظور رسیدن به M1و بازگشت به ’Aمحاسبه کرد.
بنابراین ما داریم: AA’=vt1
به این ترتیب اشعه نور در فاصله AM1A’= 2AM1با سرعت cحرکت میکند. زمان مورد نیاز بصورت معادله زیر خواهد بود:
نتیجه نیز بصورت زیر خواهد شد:
این دو پرتو منسجم در نقطه Oبه شیوه ای که به t1و t2بستگی دارد، منطبق میشوند. سپس، هنگامی که شما تداخل سنج را به منظور دسترسی شاخه AM1در جهت سرعت لابراتور به نسبت اتر می چرخانید، t1و t2تغییر می کند، بنابراین باید در دو پرتو، در Oدر نتیجه تغییرات حاشیه تداخل ، تفاوت فاز وجود داشته باشد.
هر بار که این آزمایش تکرار شد، در ساعت های مختلف روز و در روزهای مختلف سال، همواره نتایج مشابهی به دست آورد: هیچ تغییری در حاشیه ها وجود نداشت. بدیهی است، زمانی که فیزیکدانان تلاش کردند این نتیجه را توضیح دهند، هیچکس فرض نکرد که زمین بی حرکت باشد. بنابراین انیشتین این مسئله را با بیانیه معروفش که او بعدا تئوری نسبیتش را بر اساس آن ساخت، حل کرد: نور با سرعت برابر cدر تمامی جهات و در تمامی سیستم های مرجع مختلف حرکت می کند. اما ماجرا در همینجا تمام نمیشود چرا که نسبیت انیشتین نیز دارای اشکالات فراوانی است. بسیاری از محققان ثابت کرده اند که نسبیت انیشتین اشتباه است.
درست است که نور بر روی یک خط مستقیم از طریق هوا با سرعت Km / s۲۹۹۷۰۰ حرکت می کند ( ۲۹۹۷۹۲،۴۵۸کیلومتر بر ثانیه در خلاء،) اما ذرات نور بر روی امواج تک رنگ در عین حال بصورت یک موج سینوسی حرکت میکنند، به این ترتیب در طول یک واحد مساوی از زمان یک مسیر دیگر را پوشش می دهد. از آنجائیکه ذرات ماده به طور قطع قادر به حرکت با چنین سرعتی هستند، تنها توضیح ممکن برای آزمایش مایکلسون مورلی این است که زمین حرکت نمی کند. در این مورد v =0
اکنون شما متوجه خواهید شد که t1و t2برابر می شوند: t1 = t2 = l / c (هیچ تغییری در حاشیه تداخل وجود ندارد). اگر زمین را ثابت و بدون حرکت در نظر بگیریم، فرمول های پشت این آزمایش بصورت فوق العاده ای ساده میشوند.
انیشتین در توضیحی درباره آزمایش مایکلسون مورلی می گوید:
“از آن زمان به این باور رسیده ام که حرکت زمین با هیچ آزمایش نوری قابل تشخیص نیست، گرچه زمین به دور خورشید می چرخد.”
In Japan, Einstein gave a speech entitled “How I Created the Theory of Relativity” at Kyoto University on 14 December 1922. This was an impromptu speech to students and faculty members, made in response to a request by K. Nishida, professor of philosophy at Kyoto University. Einstein himself made no written notes.
او اعتقاد دارد که حرکت زمین را نمیتوان با آزمایشات نوری (شامل مایکلسون و آزمایشات مشابه دیگر) به اثبات رساند، اما بهرحال او با توجه به اصل کوپرنیکی و با توجه به تحریفات دانشمندان پیش از خود، به سیستم خورشید مرکزی باور دارد حتی اگر هیچ شواهد و مدارکی از آن وجود نداشته باشد.
انیشتین: فردی که زمین را به حرکت انداخت
چگونه زمانی که تمامی آزمایشات یک زمین کاملا ثابت و بی حرکت را نشان میدادند، انیشتین زمین متحرک را به جامعه علمی معرفی کرد!؟
مایکلسون و مورلی در آزمایشات خود در ۱۸۸۱و ۱۸۸۷دریافتند که زمین به دور خورشید نمیچرخد. همانطور که مایکلسون درباره آزمایش خود میگوید:
“این نتیجه بطور مستقیم در تضاد با توضیح و پیش فرض حرکت زمین بود.”
Albert A. Michelson, “The Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether,” American Journal of Science, Vol. 22, August 1881, p. 125.
انیشتین از کوپرنیک گرایان سرسخت بود. او هرگز نمیتوانست قبول کند که آزمایش مایکلسون مورلی یک زمین ثابت را نشان میدهد. در آن زمان برخی ادعا کردند که دستگاه مایکلسون درواقع درست کار نمیکند و زمین در حرکت است منتها در این آزمایش مشخص نمیشود. در گفتگو علمی، ما این را مصادره بر مطلوب می نامیم که انیشتین و برخی از همکارانش آن را به عنوان دلیلی بر حرکت زمین می دانستند.
مایکلسون با استفاده از سرعت دو پرتو نور در برابر یکدیگر متوجه شد که زمین حرکت نمی کند. بگذارید بصورت خلاصه یک مروری کنیم:
اولین پرتو نور به سمت غرب که جهت پیش بینی شده حرکت زمین به دور خورشید بود پرتاب شد. سپس پرتو دوم به سمت شمال که به دور از جهت و سمت غربی بود پرتاب شد.
اگر زمین با سرعت ۶۶،۰۰۰مایل در ساعت به دور خورشید چرخش کند، اولین پرتو نور باید توسط حرکت زمین در فضا تحت تاثیر قرار بگیرد. اگر زمین حرکت میکرد، اولین پرتو سرعت کمتری نسبت به پرتو دوم میداشت. اما چنین چیزی مشاهده نشد. هردو پرتو با سرعت یکسانی درحال حرکت بودند. اگر زمین درحال چرخش به دور خورشید بود، اولین پرتو نور تنها در حدود یک ششم از سرعت عقب مانده مورد نیاز حرکت میکرد. بنابراین همانطور که خود مایکلسون نیز اشاره کرد، این آزمایش نشان داد که زمین به دور خورشید نمیچرخد.
معادلات استفاده شده در محاسبه عبارتند از:
حال ، Vرا برابر با v = 3.0 × 104 m/sمیگیریم (سرعت زمین به دور خورشید).
در آزمایش مایکلسون مورلی قسمت 1lو ۲lحدود ۱۱متر طول داشتند. پس تفاوت زمان درباره آن بصورت زیر خواهد بود:
برای نور مرئی از طول موج λ = 5.5 × 10-7متر ، فرکانس در حدود:
خواهد بود.
این نشان میدهد که موج هر 
ثانیه از آن نقطه عبور میکند.
بنابراین، با تفاوت زمانی 
مایکلسون و مورلی باید یک حرکت را در الگوی تداخل حاشیه ذکر میکردند:
آنها به راحتی می توانستند این را شناسایی کنند، زیرا دستگاه آنها قادر به مشاهده تغییرات حاشیه ای به اندازه ۰٫۰۱حاشیه بود.
پس از آزمایش مایکلسون – مورلی، بسیاری از فیزیک دانان، دانشمندان ، مورخان و نویسندگان علمی آن عصر، تایید کردند که این آزمایش نمیتواند نتیجه ای غیر از ثابت بودن زمین داشته باشد. در زیر تعدادی از نقل قول های این افراد آورده شده است:
ستاره شناس و فیزیک دان معروف ، آرتور ادینگتون می گوید:
“فقط یک جایگزین وجود داشت;سرعت واقعی زمین در فضا که ممکن است برابر با صفر باشد. ”
The Nature of the Physical World, 1929, pp. 11, 8
فیزیک دان Bernard Jaffeمی گوید:
“نتایج آزمایش مایکلسون مورلی غیر قابل باور بود، تنها یک نتیجه وجود داشت و آن هم ثابت بودن زمین بود”
Michelson and the Speed of Light, 1960, p. 76
فیزیک دان Adolph Bakerمی گوید:
“بنابراین شکست مایکلسون مورلی در مشاهده سرعت نور با سرعت های مختلف در زمان های مختلف سال نشان می دهد که زمین باید ثابت و بی حرکت باشد. ما از زمان گالیله میدانیم که زمین نمیتواند در مرکز جهان باشد، پس چرا باید در فضا بی حرکت باشد؟”
Modern Physics & Antiphysics, pp. 53-54
فیزیک دان James Colemanمی گوید:
” ساده ترین توضیح این بود که زمین در اتر ثابت است و همه چیز به دور زمین چرخش میکند.چنین ایده ای که نشان میدهد ما یک موقعیت خاص در جهان داریم و همه چیز به دور ما درحال چرخش است را کسی به طور جدی مورد توجه قرار نداد”
Relativity for the Layman, p. 37
مورخ Lincoln Barnett می گوید:
” آزمایش مایکلسون مورلی دانشمندان را با یک جایگزین و نتیجه شرم آور مواجه کرد. از یک طرف آنها می توانستند نظریه اتر که بسیاری از چیزهایی که در مورد الکتریسیته، مغناطیس، و نور توضیح داده بود را دور بریزند و یا اتر را نگه داشته و کوپرنیک و حرکت زمین را فراموش کنند. برای بسیاری از فیزیکدانان باور ثابت بودن زمین آسان تر از این بود که باور داشته باشند امواج نور و امواج الکترومغناطیسی بدون یک محیط که حفظشان کند وجود داشته باشند .این یک معضل جدی است! آزمایشات دیگری نیز توسط مایکلسون و دیگران انجام شد که سرعت زمین در فضا را برابر با صفر محاسبه کرد”
The Universe and Dr. Einstein, p. 44
فیزیک دان Richard Wolfsonمی گوید:
” چه اتفاقی افتاد زمانی که این آزمایش در ۱۸۸۷انجام شد؟ هرگز و هرگز تغییری در الگوی تداخل دیده نشد! هیچ تغییری! معنی و مفهوم این چیست؟ این یک آزمایش بود که برای اندازه گیری سرعت حرکت زمین در اتر انجام شده بود. این آزمایش میتوانست حرکت زمین به دور خورشید را نشان دهد اما نشان نداد! پس نتیجه آزمایش مایکلسون مورلی چه بود؟ نتیجه این بود که زمین حرکت نمیکند.”
The Teaching Company, episode taught by Professor Richard Wolfson of Middlebury College
آقای Ronald Clark می گوید:
“نتایج آزمایش مایکلسون مورلی دانشمندان و علم را با یک انتخاب بد مواجه کرد! دور انداختن اتر که الکتریسیته، مغناطیس، و نور را توضیح میداد یا قبول اینکه زمین ثابت است”.
Einstein: The Life and Times, 1984, p. 57
آقای James W. Fulbright می گوید:
“مشکلی که علم با آن مواجه شده است قابل توجه است. به نظر میرسد که سه گزینه وجود دارد که یکی از آن ها این است که قبول کنیم زمین ثابت است و کوپرنیک اشتباه کرد”
Ibid., pp. 109-110, emphasis added
