Интерферометр

На первый взгляд может показаться, что мы лишь усложнили вопрос. Однако Майкельсону удалось создать прибор, называемый интерферометром, с помощью которого можно измерять расстояния, используя интерференционную картину, возникающую при сложении двух световых волн, находящихся не в фазе, но первоначально испущенных в фазе.

Посылая световые импульсы одновременно в двух направлениях, можно измерять исключительно малые временные и пространственные отрезки, если наблюдать за интерференционной картиной, возникающей при сложении этих двух импульсов. Опишем, не входя во все подробности и рассматривая лишь одиночный импульс, как Майкельсону удалось свести измерение временных интервалов к наблюдению интерференционной картины; в случае периодических волн от обычно используемого источника монохроматического света принцип измерения остается таким же.

Сердце интерферометра — полупрозрачное посеребренное зеркало, наклоненное под углом 45° к направлению движения выходящего из источника импульса (фиг. 13). Это зеркало расщепляет импульс, так что часть его отражается к R₂, остальная часть проходит к R₁ т. е. образуются два импульса, распространяющиеся во взаимно перпендикулярных направлениях и начинающие свой путь в одной фазе. Когда импульсы возвращаются (отразившись от R₁ и R₂), половины каждого из них проходят через зеркало (одна половина отражается, а другая проходит) и складываются в месте положения источника. Если времена распространения импульсов одинаковы, т. е. Т_||=Т_Ʇ, то два импульса складываются так, как показано на фиг. 14. Если же эти времена различны, то результирующий импульс может иметь иную форму, например, как на фиг. 15, и наблюдатель заметит изменение интерференционной картины. Именно это изменение интерференционной картины и намеревался использовать Майкельсон для измерения разности времен распространения Т_Ʇ и Т_||, что позволило бы ему вычислить скорость движения Земли по отношению к эфиру.

Допустим, например, что вначале плечо 1 интерферометра было параллельно направлению движения Земли относительно эфира, плечо 2 перпендикулярно этому направлению, а их длины для простоты одинаковы и равны l (фиг. 16). Время распространения импульса, движущегося параллельно движению прибора, по замкнутому пути:

Если прибор-повернуть на 90°, то это плечо станет перпендикулярным направлению движения Земли относительно эфира, и время распространения импульса изменится:

т. е. станет короче на величину:

При том же повороте прибора плечо, бывшее первоначально перпендикулярным направлению движения Земли, станет параллельным ему, а соответствующее полное время распространения импульса увеличится на:

Следовательно, временное запаздывание одного импульса относительно второго:

При l=60 см и v=3*10⁶ см/с (30 км/с)

ΔТ ≈ 4*10^-17 c, (29.26)

что, конечно, является очень малым временным интервалом. Однако мы теперь обладаем прямым методом его измерения. Длина волны видимого света порядка 3*10^-5 см. Пространственное смещение двух импульсов, вызванное поворотом прибора, равно:

с(ΔТ) = 3*10¹⁰ см/с*4*10^-17 с = 1,2*10^-6 см. (29.27)

Таким образом, при повороте прибора импульсы расходятся на величину порядка 1,2*10^-6/3*10^-5=0,04 длины волны. Эта разность фаз приведет к смещению интерференционной картины при повороте прибора, которое и надеялся наблюдать Майкельсон.

Интерферометры, которыми действительно пользуются в этом лучшем из миров, безусловно более сложны. В самом деле:

1) Длины двух плеч невозможно сделать равными с точностью более чем в несколько долей длины волны света.

2) Даже если бы и удалось сделать плечи равными, расщепленные лучи все равно проходили бы различные оптические пути, поскольку они пересекают стекло зеркала различное число раз, а скорость света в стекле отличается от скорости света в воздухе. Так, из фиг. 17 видно, что первоначально отраженный импульс пересекает стекло один раз, в то время как прошедший импульс пересекает его трижды. Этот эффект, впрочем, можно скомпенсировать, если на пути первоначально отраженного луча поместить стеклянную пластину нужной толщины (фиг. 18).

3) При отражении импульса его фаза меняется [отражаясь от непроницаемого барьера, импульс изменяет свою полярность на противоположную]. Однако в интерферометре оба импульса отражаются один раз, так что при падении на экран для наблюдения исходные фазовые соотношения восстанавливаются.

4) Стеклянная пластина обладает дисперсией. В результате лучи с различными длинами волн, из которых состоит импульс, слегка разойдутся, так как скорости этих лучей в стекле различны. Эта трудность в эксперименте, впрочем, не возникает, поскольку на практике используют монохроматический свет (свет одной длины волны).

Установка может также колебаться, неравномерно расширяться, изгибаться ит. п. Тем не менее, проявив достаточное терпение, изобретательность и трудолюбие (когда проводится подобный эксперимент, свет в лаборатории горит всю ночь, обеды стынут и ученые забывают о своих женах), можно преодолеть все эти затруднения и создать практически идеальный интерферометр, в котором оптические пути обоих лучей были бы ровны друг другу. Расщепленные монохроматические лучи обрату юг па экране для наблюдений интерференционную картину. При повороте прибора плечо интерферометра, бывшее вначале перпендикулярным направлению движения, становится параллельным и наоборот. При этом времена распространения изменяются, и интерференционная картина должна сместиться.

На фиг. 19 представлена система интерференционных колец, наблюдаемая при определенных условиях. Фиг. 19, α соответствует случаю, когда оптические пути различны, скажем Т_Ʇ больше Т_||. При приближении Т_Ʇ к Т_|| (фиг. 19, б) радиус темных колец уменьшается (кольцо исчезает всякий раз, когда величина сТ_Ʇ, становится равной λ), а расстояние между ними возрастает вплоть до критического момента, когда время Т_Ʇ достигает Т_|| (фиг. 19, в) и центральное темное пятно закрывает все поле зрения. Затем, когда время Т_|| начинает превосходить Т_Ʇ, процесс идет в обратном направлении (фиг. 19, г и д).