آزمایش طلایی مایکسون مورلی

 منبع :

 نويسنده : امیرسالار نیک‌اندیش    ایمیل : salarnikandish@gmail.com

 نوشته شده در تاريخ : 1396/04/27   ( آخرين ويرايش : 1396/04/27 )

در دو مطلب گذشته مسئله­ تداخل امواج در فیزیک را مورد بررسی قرار دادیم. به ویژه در مطلب قبلی سعی کردیم اصول تداخل را بیش از پیش باز کنیم و در نهایت به این نتیجه رسیدیم که:

چنانچه دو موجی که با هم تداخل می­‌کنند اختلاف فاز داشته باشند، طرح تداخلی به صورت نوارهای تاریک و روشن تشکیل می‌­شود. مکان­‌هایی که دو موج با اختلاف فاز مناسب به هم می­‌رسند و تداخل سازنده است، نوار روشن، و مکان­‌هایی که تداخل دو موج ویرانگر است نوار تاریک تشکیل می‌­شود. همچنین عنوان کردیم که یکی از راه‌­هایی که می­توان بین دو موج در یک نقطه اختلاف فاز ایجاد کرد، آن است که دو موج مسیر­های متفاوتی را برای رسیدن به نقطه­ مورد نظر بپیمایند یا به عبارتی: دو موج با هم اختلاف راه داشته باشند.

این ایده­ اصلی ساخت تداخل‌­سنج‌­ها در فیزیک است.

هدف اصلی همان‌گونه که در مطلبی با عنوان اندازه­‌گیری سرعت نور عنوان کردیم، این بود که تبدیلات گالیله‌­ای ادعا می‌­کنند که سرعت نور در یک چارچوب یکتا برابر c است و چنانچه ناظری نسبت به آن چارچوب حرکت کند سرعت متفاوتی را اندازه­‌گیری خواهد کرد.

پس قاعدتا باید بتوانیم این چارچوب یکتا را که پیشتر معرفی کردیم (چارچوب اتر) مشخص کنیم.

در واقع می­‌خواهیم سرعت نور را در چند چارچوب مختصاتی مختلف اندازه­‌گیری کنیم و ببینیم آیا سرعت در چارچوب‌های (دستگاه های) مختلف، متفاوت است یا خیر؟ به ویژه آیا چارچوب یکتایی وجود دارد که سرعت نور در آن مقدار پیش‌­بینی شده در نظریه الکترومغناطیس باشد؟

یکی از آزمایش­‌های هوشمندانه‌­ای که برای رسیدن به این مقصود انجام شد، آزمایش مایکلسون- مورلی در سال 1887 بود. این آزمایش نگاه ما را به بسیاری از مفاهیم بنیادی دگرگون کرد.

آلبرت مایکلسون پنجاه سال از عمر خود را صرف طراحی و انجام آزمایش­‌هایی با دقت بالا درباره­ نور کرد. به خاطر همین آزمایش­‌ها، او اولین شهروند آمریکا بود که توانست جایزه­ نوبل را از آن خود کند.

                                   

در مطلب آشنایی با فرضیه­ اتر گفتیم که چگونه فیزیکدانان که تا آن زمان نمی‌توانستند بپذیرند که امواج الکترومغناطیس در خلأ منتشر می‌­شوند، فرضیه­ اتر را مطرح کردند. همچنین با ویژگی­های کلی‌­ای که برای اتر ارائه کردند نیز آشنا شدیم.

اگر اتری وجود داشته باشد، ناظری که نسبت به این اتر ساکن است، یا به عبارت دیگر در چارچوب اتر قرار دارد، سرعت نور را برابر c اندازه­‌گیری می‌­کند. در­صورتی که ناظری که روی کره زمین چرخان و متحرک قرار دارد یک باد اتری را احساس می­‌کند و قاعدتا باید سرعت نور را متفاوت با آنچه که نظریه­ الکترومغناطیس پیش‌بینی می­‌کند اندازه بگیرد.

سرعت حرکت زمین به دور خورشید در حدود 30 km/s است. یعنی نسبت v/c از مرتبه 4-10 است. آزمایش­‌های نوری که دقت اندازه­‌گیری آن­ها تا مرتبه­ v/c بود هرگز قادر نبودند حرکت زمین در اتر را آشکار کنند.

فیزیکدانی به نام فرنل و کمی پس از آن لورنتس نشان دادند که این نتیجه با فرضیه اتر قابل توجیه است، و برای اثبات فرضیه اتر باید آزمایشی ترتیب داد که دقت آن از مرتبه­ v2/c2 یعنی  8-10 باشد.

مایکلسون در سال 1881 تداخل­‌سنجی اختراع کرد که چنین حساسیت بالایی داشت. سپس در همان سال به تنهایی و بعدها با همکاری مورلی در سال 1887 آزمایشی را انجام دادند که پایه تجربی نظریه نسبیت قرار گرفت.

                                   

اکنون به توضیح این آزمایش و نتایج هیجان‌­انگیزش می­‌پردازیم.

 مطابق این شکل، تداخل سنج روی زمین ساکن است. اگر در نظر بگیریم که اتر نسبت به خورشید ساکن است، بنابراین زمین و تداخل سنج با سرعت 30 km/s در اتر حرکت می­‌کنند (در ابتدا از حرکت چرخشی زمین صرف نظر می‌کنیم). باریکه­ نوری که به وسیله­ لیزر ایجاد می­‌شود، پس از عبور از یک آینه­ نیمه­ جیوه‌­اندود (Beam Spliter) به دو باریکه تقسیم می‌­شود. قسمتی از باریکه که BSبازتاب می­‌کند وارد آینه M1 شده و قسمت دیگر به سمت آینه M2 حرکت می­‌کند. دو پرتو پس از بازتاب از هر دو آینه مجددا به سمت BS باز می­‌گردند. حال بخشی از پرتو دو به وسیله­ BS بازتاب و بخشی از پرتوی یک هم از آن عبور می­‌کند. این دو پرتو روی پرده با هم تداخل می‌کنند و بنابر اختلاف­ فازشان، تداخل­شان سازنده یا ویرانگر خواهد بود.

اختلاف فاز دو پرتویی که به پرده می­‌رسند، می‌تواند دو علت داشته باشد.

اول نتیجه اختلاف راه پیموده شده به وسیله دو پرتو، و دوم، اختلاف در زمانی که دو پرتو این مسیر را طی کرده‎­اند.

اینجا طول دو بازوی تداخل‌­سنج برابر است. پس علت اصلی، علت دوم است.

در واقع دو پرتو با سرعت­‌های مختلفی دو مسیر یکسان را طی می­‌کنند. این سرعت­‌های مختلف ناشی از حرکت تداخل­‌سنج نسبت به اتر است. برای مثال اگر فرض کنیم تداخل­‌سنج به گونه­‌ای نسبت به اتر حرکت می‌کند که سرعت اتر نسبت به آن برابر v  و از چپ به راست است، آن گاه هنگامی که پرتو 2 به سمت راست می‌­رود، سرعت حرکتش نسبت به اتر c-v و هنگامی که پس از بازتاب باز­می­‌گردد، سرعت حرکتش c+v است. برای پرتو یک هم این اختلاف زمانی وجود دارد. چرا که هنگامی که پس از BS پرتو یک به سمت آینه­ M1  می‌­رود، تداخل‌­سنج در اتر حرکت کرده و آینه M1 جابه­‌جا می‌شود.

در واقع این تبدیلات سرعت برای حرکت زمین و تداخل سنج در اتر مانند حرکت شناگری در رودخانه است، هنگامی که درجهت آب، خلاف و یا عمود بر جهت آن شنا می­‌کند.

به همین دلیل دو پرتو با اختلاف فاز به پرده می‌­رسند و یک طرح تداخلی به صورت زیر تشکیل می­‌دهند.

                                   

 اگر محاسبات ریاضی را کامل انجام دهید به سادگی متوجه خواهید شد که دقت این آزمایش از همان مرتبه­ v2/c2 است.

اگر به مطالعه­ جزئیات و محاسبات دقیق ریاضی این آزمایش علاقه دارید، پیشنهاد می­‌کنم به کتاب­‌های :

1-    آشنایی با نسبیت خاص از رابرت رزنیک 

2-    فیزیک مدرن از کنت اس. کرین

3-    فیزیک پایه از فرانک ج. بلت جلد چهارم

مراجعه کنید.

حال اگر دستگاه را به اندازه 90 درجه بچرخانیم، به طوری که جای مسیرهای یک و دو عوض شود و مجددا اختلاف فاز را اندازه­‌گیری کنیم، می‌­بینیم که این اختلاف فاز با حالت قبل تفاوت دارد.

بنابراین انتظار می‌رود شکل نوار­های تداخلی اندکی جابه­‌جا شود. اگر این جابه­‌جایی را محاسبه کنیم، می‌­بینیم به اندازه 0/4 پهنای یک نوار، شکل تداخلی باید جابه‌­جا شود.

مایکلسون و مورلی دستگاه تداخل­‌سنج را روی یک صفحه­ سنگی بسیار محکم و بزرگ نصب کردند و آن را در جیوه شناور کردند. بنابراین دستگاه می­‌توانست حول یک محور مرکزی به خوبی بچرخد.

                                    

آنها آزمایش را هم در شب و هم در روز برای بررسی اثر چرخشی زمین، و همچنین در تمام فصول، به منظور بررسی اثر گردش زمین به دور خورشید انجام دادند. نتیجه همیشه یکسان بود:

 هیچ جابه‌جایی‌ای برای نوارهای تداخلی مشاهده نشد.

این نتیجه باورنکردنی بود. به گونه‌­ای که طی پنجاه سال این آزمایش را فیزیکدانان زیادی تکرار کردند. همچنین آزمایش­‌های دقیق­‌تری نیز طراحی و اجرا شدند؛ آزمایش‌­هایی که دقت آن­ها از آزمایش مایکلسون و مورلی 50 برابر بهتر بود. اما نتیجه­ صفر همواره تایید می‌­شد.

در حالی که تئوری روی کاغذ به ما می­‌گوید که در صورت تغییر موقعیت دستگاه، حتما نوارهای تداخلی جابه‌­جا می‌­شوند.

یک تعبیر ساده برای این آزمایش آن است که نتیجه بگیریم تبدیلات به کار برده شده برای سرعت درست نیست و سرعت نور در تمام چارچوب­‌های لخت و در تمامی جهات همواره برابر c است. در واقع چارچوب یکتایی که تنها در آن سرعت نور برابر c باشد وجود ندارد و تبدیلات گالیله برای سرعت درست عمل نمی­‌کنند.

اینکه سرعت نور از دید تمام ناظر­ها با هر سرعتی یکسان باشد بسیار عجیب به نظر می­‌رسد، اما آزمایش‌ها قویا این مطلب را تایید می­‌کنند.

به علاوه هنگامی که دو ماشین در جهت هم حرکت می­‌کنند و ما با استفاده از تبدیلات گالیله‌­ای سرعت، زمان به هم رسیدن­‌شان را اندازه می‌­گیریم، این تبدیلات زمان را دقیق به‌دست می‌­دهند.

پس کدام تعبیر درست است؟

آیا تبدیلات گالیله و قوانین نیوتون باید به طور کامل کنار گذاشته شوند؟

آیا واقعا سرعت نور از دید تمام ناظر­ها با هر سرعتی یکسان است؟

پیامدهای چنین نتیجه­‌ای چه خواهد بود؟

این آزمایش ما را به درک درست­‌تری از زمان و طول راهنمایی کرد؛ مقدمات تجربی نسبیت خاص اینیشتین را فراهم آورد و مفهوم بسیار عمیق‌­تری از زمان و مکان را وارد دنیای فیزیک کرد.

برای تفسیر نتایج استثنایی این آزمایش، هر هفته با ما در بخش آموزشی مجله نجوم همراه باشید.