Номер 4, страница 155 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

4. Опишите эксперимент Майкельсона — Морли.

4. Опишите эксперимент Майкельсона — Морли.

Эксперимент, поставленный Альбертом Майкельсоном и Эдвардом Морли в 1887 году, был предназначен для обнаружения движения Земли относительно гипотетической среды — светоносного эфира. В XIX веке считалось, что свет, подобно звуку в воздухе, распространяется в некой среде, заполняющей все пространство. Если Земля движется сквозь этот неподвижный эфир, то должен наблюдаться «эфирный ветер», влияющий на измеренную скорость света.

Основой эксперимента служил интерферометр Майкельсона. Установка состояла из источника света, полупрозрачного зеркала (светоделителя), которое разделяло луч света на два перпендикулярных друг другу пучка, и двух обычных зеркал. Два пучка света проходили одинаковые расстояния $L$ до своих зеркал, отражались и возвращались на светоделитель, где они вновь соединялись и направлялись в телескоп для наблюдения. При соединении лучи интерферировали, создавая картину из светлых и темных полос.

Согласно гипотезе, установка движется вместе с Землей сквозь эфир со скоростью $v$. Если одно плечо интерферометра ориентировано параллельно этому движению, а другое — перпендикулярно, то время, которое свет затрачивает на прохождение туда и обратно по этим плечам, должно быть разным. Для плеча, параллельного движению, общее время прохождения пути: $t_{||} = \frac{L}{c-v} + \frac{L}{c+v} = \frac{2Lc}{c^2-v^2} = \frac{2L/c}{1-v^2/c^2}$. Для плеча, перпендикулярного движению, общее время: $t_{\perp} = \frac{2L}{\sqrt{c^2-v^2}} = \frac{2L/c}{\sqrt{1-v^2/c^2}}$.

Разница во времени $\Delta t = t_{||} - t_{\perp}$ должна была привести к определенной разности фаз. Чтобы сделать этот эффект наблюдаемым, всю установку медленно поворачивали на 90°. При этом параллельное и перпендикулярное плечи менялись местами, что должно было вызвать сдвиг интерференционных полос. Расчеты показывали, что этот сдвиг был вполне доступен для измерения с помощью созданного прибора.

Вопреки ожиданиям, никакого сдвига интерференционных полос при повороте установки обнаружено не было. Эксперимент многократно повторялся в разное время суток и в разные сезоны, но результат всегда был отрицательным. Этот «нулевой результат» означал, что скорость света не зависит от направления движения источника или наблюдателя относительно предполагаемого эфира. Это стало одним из ключевых экспериментальных фактов, которые привели к отказу от теории эфира и созданию специальной теории относительности.

Ответ: Эксперимент Майкельсона-Морли был попыткой измерить скорость Земли относительно гипотетического светоносного эфира с помощью интерферометра. Предполагалось, что из-за «эфирного ветра» время прохождения светом двух перпендикулярных плеч интерферометра будет различным, что приведет к сдвигу интерференционных полос при повороте прибора. Эксперимент дал отрицательный результат: никакого сдвига полос обнаружено не было, что указывало на независимость скорости света от движения источника и наблюдателя и послужило основанием для отказа от теории эфира.

5. В чем состоит противоречие между классическим законом сложения скоростей и постулатами специальной теории относительности?

Противоречие заключается в несовместимости классического (галилеева) закона сложения скоростей с результатами эксперимента Майкельсона-Морли и, как следствие, со вторым постулатом специальной теории относительности (СТО) Альберта Эйнштейна.

Согласно классическому закону сложения скоростей, если тело движется со скоростью $u'$ в системе отсчета, которая сама движется со скоростью $v$ относительно неподвижного наблюдателя, то скорость тела для этого наблюдателя будет равна векторной сумме скоростей: $u = u' + v$. Если применить этот закон к свету, то скорость светового луча, измеренная наблюдателем, должна зависеть от движения источника света или самого наблюдателя. Например, если источник света движется к наблюдателю со скоростью $v$, то наблюдатель должен измерить скорость света как $c+v$.

Эксперимент Майкельсона-Морли, а затем и второй постулат СТО, утверждают обратное: скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от скорости движения источника или наблюдателя. То есть, в любом случае измеренная скорость света будет равна $c$.

Таким образом, возникает прямое противоречие. Классическая физика предсказывает, что скорость света для разных наблюдателей будет разной ($u \neq c$), в то время как СТО и эксперимент показывают, что она всегда одна и та же ($u = c$). Это противоречие было разрешено путем отказа от преобразований Галилея в пользу преобразований Лоренца, которые лежат в основе специальной теории относительности.

Ответ: Противоречие состоит в том, что согласно классическому закону сложения скоростей, скорость света должна зависеть от скорости движения наблюдателя (быть равной, например, $c+v$ или $c-v$), в то время как эксперимент Майкельсона-Морли и постулаты специальной теории относительности утверждают, что скорость света в вакууме является абсолютной константой ($c$) для любого наблюдателя, независимо от его движения.