迈克耳逊—莫雷实验的过程是如何进行的?
1887年,阿尔贝特·迈克尔逊(后来成为美bai国第一个物理诺贝尔奖获得者)和爱德华·莫立在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。目的是测量地球在以太中的速度(即以太风的速度)。
如果以太存在,且光速在以太中的传播服从伽利略速度叠加原理:
假设以太相对于太阳静止,仪器在实验坐标系中相对于以太以公转轨道速度 向右运动。 光源发光经分光镜分光成两束光,光束1经反光镜M1反射再经分光镜投射到观测屏。光束2经反光镜M2反射再经分光镜投射到观测屏,与光束1形成干涉。光在以太中传播速度为 ,地球相对以太的速度为 。光束1到达M1和从M1返回的传播速度为不同的,分别为 和 ,完成往返路程所需时间为: 。光束2完成来回路程的时间为 ,光束2和光束1到达观测屏的光程差为 。
然后让实验仪器整体旋转90度,则光束1和光束2到达观测屏的时间互换,使得已经形成的干涉条纹产生移动。改变的量为 。移动的条纹数为 。
实验中用钠光源, ;
地球的公转轨道运动速率为: ;干涉仪光臂(分光镜到反光镜) ,
应该移动的条纹为: 。迈克尔逊和莫雷将干涉仪装在十分平稳的大理石上,并让大理石漂浮在水银槽上,可以平稳地转动。并当整个仪器缓慢转动时连续读数,这时该仪器的精确度为0.01% ,即能测到1/100条条纹移动,用该仪器测条纹移动应该是很容易的。迈克尔逊和莫雷设想:如果让仪器转动90°,光通过OM1、OM2的时间差应改变,干涉条纹要发生移动,从实验中测出条纹移动的距离,就可以求出地球相对以太的运动速度,从而证实以太的存在。但实验结果是:未发现任何条纹移动。在此之后的许多年,迈克尔逊-莫雷实验又被重复了许多次,所得都是零结果。
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1881年4月上旬他进行了观测,但实验结果否定了“静止以太”。后来在1887年7月,他改进了实验设备,与莫雷一起重新进行了测量。这就是历史上著名的迈克耳逊—莫雷实验。他们把设备放在水银面上,使之既能在水平面内自由转动又能避免振动的干扰,还利用两组平面镜来回反射两束相干光,使光程增大到11米。经过几天的紧张观察,仍然没有得到预期的结果,迈克耳逊认为实验是失败的。这一困惑,直到爱因斯坦的相对论发表才得以解释:“光以太”的引入是多余的。
大学物理实验迈克尔逊干涉仪的演示操作过程。