VIATA SI ACTILITATEA LUI ALBERT ABRAHAM MICHELSON

COLEGIUL NATIONAL "MIHAI EMINESCU"

VIATA SI ACTILITATEA LUI

ALBERT ABRAHAM   MICHELSON

CUPRINS

Cuprins...........................2

Motivatie............................3

Viata lui Albert Abraham Michelson............4

Teoriile din fizica de la sfarsitul secolului al XIX-lea

Interferometrul......................7

EXPERIMENTUL Michelson-Morley............9

Principiul relativitatii restranse.............10

Consecinte pentru dinamica................12

Experimente aditionale....................13

Bibliografie.......................16

Am ales ca tema proiectului nostru la fizica sa fie viata si activitatea marelui fizician Albert Abraham Michelson deoarece am fost profound impresionate de excelenta sa in domneiul masurarii vitezei luminii si de consecintele descoperirilor sale.

VIATA LUI ALBERT ABRAHAM MICHELSON

Albert Abraham Michelson a fost un fizician american de origine prusaca cunoscut pentru lucrarile sale in domeniul masurarii vitezei luminii si in primul rand pentru experimentul Michelson-Morley. In 1907 a primit Premiul Nobel pentru Fizica, pentru instrumentele sale de precizie optica si investigatiile spectroscopice si metrologice efectuate cu ajutorul acestora. A devenit primul american care a primit premiul Nobel intr-un domeniu stiintific.

Michelson s-a nascut pe data de 19 decembrie 1852 in Strelno, Germania. S-a mutat cu familia in Statele Unite ale Americii in 1885, cand avea 2 ani. El si-a petrecut copilaria in orasele minere Murphy`s camp, California si Virginia City, Nevada unde tatal sau era comerciant. Si-a petrecut primii ani de scoala in San Francisco, locuind in casa matusii sale, Henriette Levy, care era mama autorului Hnariette Lane Levry.

Presedintele Ulysses S.Grand i-a oferit o functie speciala in U.S. Naval Academy in 1869. Dupa cativa ani de studii la academie, Michelson a excelat in optica si climatologie. A absolvit academia in 1873. Dupa 2 ani de la absolvire s-a intors (in 1875) la aceeasi academie pana in 1879 ca instructor de fizica si chimie. Din 1880 pana in 1882 Michelson si-a aprofundat studiile in Berlin si Paris demisionand din marina in anul 1881.

Michelson a fost fascinat in stiinta de masurarea vitezei luminii.pe cand la Annapolis, a condus primul sau experiment referitor la viteza luminii, aceasta parte a experimentului fiind demonstrata in 1887, dupa care a mai studiat 2 ani in Europa. In 1883 a acceptat postul de profesor de fizica la Case School of Applied Science in Cleveland, Ohio unde a pus bazele construirii unui interferometru. In 1887 el si cu Edward Morley au facut f 454f51e aimosul experiment "Michelson-Morley" care a exclus existenta eterului. Mai tarziu el a trecut la utilizarea unui interfermetru astronomic pt a resusi masurarea diametrul stelelor.

In 1889 Michelson a devenit profesor la Clark University din Worcester, Massachusetts iar in 1892 a fost numit pofesor si conducatorul departamentului de fizica de la Universiatatea din Chicago.

In 1899 s-a casatorit cu Edna Stanton si impreuna au avut un fiu.

In 1907, Michelson a avut onoarea de a fi primul american ce a primit premiul Nobel in fizica pentru "instrumentele sale de precizie optica si investigatiile spectroscopice si metrologice efectuate cu ajutorul acestora". Deasemenea el a castigat Copley Medal  in 1907, the Henry Draper Medal in 1916 and the Gold Medal of the Royal Astronomical Society in 1923.

Michelson a murit pe data de 9 mai 1931 in Pasadena, California la varsta de 78 de ani.

TEORIILE DIN FIZICA DE LA SFARSITUL SEC AL XIX-LEA

Teoriile din fizica de la sfarsitul secolului al XIX-lea postulau ca, asa cum undele de apa au nevoie de un mediu prin care sa se deplaseze (apa), iar undele sonore au nevoie de un mediu prin care sa se deplaseze (aer sau apa), asa si undele luminoase aveau nevoie de un mediu, numit 'eter luminifer,' sau 'eter universal.' Deoarece lumina poate calatori prin vid, s-a presupus ca vidul trebuie sa contina mediul prin care se deplaseaza lumina. Intrucat viteza luminii este atat de mare, construirea unui experiment care sa detecteze prezenta si proprietatile acestui eter necesitau ingeniozitate deosebita.

O descriere a conceptului de 'vant eteric.'

In fiecare an, Pamantul parcurge o distanta uriasa in orbita sa in jurul Soarelui, la o viteza de aproximativ 30 km/secunda sau peste 108.000 km pe ora. Soarele insusi se deplaseaza in jurul centrului galaxiei la o viteza si mai mare, si sunt si alte miscari, la nivele superioare ale structurii universului. Deoarece Pamantul este in miscare, era de asteptat ca curgerea eterului in jurul Pamantului sa produca un 'vant eteric' detectabil. Desi ar fi posibil, teoretic, ca miscarea Pamantului sa fie egala cu cea a eterului la un anumit moment de timp, nu se putea ca Pamantul sa ramana in repaus permanent in raport cu eterul, datorita variatiei atat a vitezei, cat si a directiei miscarii.

In orice punct dat de pe suprafata Pamantului, magnitudinea si directia vantului ar varia de-a lungul zilei sau de-a lungul anului. Analizand viteza de intoarcere a luminii in directii diferite la momente de timp diferite, se credea ca se poate masura miscarea Pamantului relativ la eter.

Diferenta asteptata la viteza luminii masurata era foarte mica, data fiind ca viteza Pamantului in orbita sa in jurul Soarelui era cam o sutime de procent din viteza luminii. Un numar de fizicieni au incercat sa faca aceste masuratori la jumatatea secolului al XIX-lea, dar precizia necesara era prea mare pentru conditiile existente. De exemplu, aparatul Fizeau-Foucault putea masura viteza luminii cu o precizie de 5%, nici macar aproape de ce era necesar pentru a masura vantul eteric.

INTERFEROMETRUL

Michelson avea o solutie pentru problema construirii unui dispozitiv suficient de precis pentru a detecta curgerea eterului. Aparatul pe care l-a proiectat, numit mai tarziu interferometru, trimitea o singura raza de lumina alba printr-o oglinda semiargintata folosita pentru a imparti raza in doua raze care se deplaseaza in unghi drept una fata de cealalta. Dupa ce ies din oglinda, razele se deplaseaza pana in capetele unor brate lungi de unde erau reflectate inapoi in centru pe oglinzi mici. Apoi se recombinau in capatul indepartat al oglindei intr-o lentila, producand un sablon de interferenta constructiva si destructiva bazat pe lungimea bratelor. Orice mica schimbare in durata de timp cat stateau undele pe drum ar fi fost observata ca o deplasare a pozitiilor franjelor de interferenta. Daca eterul ar fi fost stationar in raport cu Soarele, atunci miscarea Pamantului ar produce o deplasare a franjelor de o douazecisicincime din marimea unei franje.

Michelson a efectuat cateva masuratori cu un aparat experimental in 1881, si a observat ca deplasarea asteptata de 0,04 nu se vedea, dar se vedea o deplasare mai mica, de aproximativ 0,02. Insa aparatul sau era un prototip, si avea erori experimentale prea mari pentru a trage vreo concluzie despre vantul eteric. Pentru masurarea vantului eteric, era necesar un experiment mult mai precis si mai strict controlat. Prototipul a avut, insa, succes in a demonstra ca metoda de baza era fezabila.

Cu ajutorul unui laser contemporan, acest interferometru Michelson este acelasi in principiu ca si cel folosit in experimentul original.

EXPERIMENTUL MICHELSON-MORLEY

Michelson si-a unit eforturile cu Edward Morley si a petrecut destul de mult timp, cheltuind sume considerabile de bani pentru a crea o versiune imbunatatita cu mai mult decat suficienta precizie pentru a detecta deplasarea. In experimentul lor, lumina era reflectata in mod repetat inainte si inapoi de-a lungul bratelor, marind calea parcursa la 11 m. La aceasta distanta, deplasarea trebuia sa fie 0,4 franje. Pentru a face aceasta usor de detectat, aparatul a fost plasat intr-o incapere inchisa de la subsolul unei cladiri de piatra, eliminand majoritatea efectelor termice sau oscilatorii. Oscilatiile au fost reduse construind aparatul deasupra unui bloc urias de marmura, care plutea intr-un bazin cu mercur. Precizia calculata era de ordinul a o sutime de franja.

Bazinul de mercur permitea deplasarea aparatului, astfel incat sa poata fi rotit la orice unghi posibil in raport cu 'vantul eteric'. Chiar si intr-o perioada scurta de timp un oarecare efect trebuia sa fie observat doar rotind dispozitivul, astfel incat un brat sa stea pe directia vantului, iar celalalt in directie opusa. Ar fi fost usor de masurat deplasarile si pe perioade mai mari de timp.

In timpul fiecarei rotatii complete a dispozitivului, fiecare brat era paralel cu vantul de doua ori si perpendicular tot de doua ori. Acest efect trebuia sa produca masuratori sinusoidale cu doua extreme si doua treceri prin zero. In plus, daca vantul se datora doar orbitei Pamantului in jurul Soarelui, vantul si-ar fi schimbat complet directia est-vest de-a lungul unei perioade de 12 ore. In aceasta conceptualizare ideala, sinusoidele pentru zi si cele pentru noapte ar avea faze opuse.

Deoarece s-a presupus ca miscarea Pamantului in jurul Soarelui ar cauza vreo componenta suplimentara a vantului, ciclurile anuale ar fi fost detectabile sub forma unei variatii a magnitudinii vantului. Un exemplu al acestui efect este un elicopter care zboara inainte. La statul pe loc, elicea unui elicopter se roteste cu aproximativ 480 de kilometri pe ora la varfuri. Insa, daca elicopterul se deplaseaza inainte la 240 km/h, exista puncte in care varfurile elicei se deplaseaza prin aer cu 240 km/h (in directia vantului) si 720 km/h (in contra vantului). Acelasi efect ar fi cauzat scaderea si cresterea anuala a magnitudinii vantului eteric.

Principiul relativitatii restranse

Fizicienii Albert Michelson si Edward Morley, pornind de la premisa unui eter rigid aflat in stare de repaus in spatiu, au analizat urmatoarea problema : daca eterul este in repaus fata de Soare si nu se misca odata cu Pamantul(viteza Pamantului fata de Soare este de cca 30 km/sec), aceasta miscare rapida a eterului fata de Pamant ar trebui sa fie sesizata pe baza unei modificari a vitezei luminii pe Pamant.Viteza luminii ar trebui sa inregistreze atunci, conform asteptarilor, mai multe valori, in functie de directia relativa a razelor de lumina fata de vantul eteric. Toate experimentele de acest tip au esuat insa, aratand ca viteza luminii nu poate fi pusa in relatie cu ipoteza eterului. Dar pentru ca lumea nu dorea sa renunte la eter, s-au incercat interpretari matematice ale problemei. Orice corp care are viteza V fata de eter se contracta pe directia de miscare cu fractiunea .

Meritul lui Einstein consta in aceea ca lui i se datoreaza formularea definitive in domeniul conceptului de timp si spatiu. Einstein voia un principiu general, asemanator celui din termodinamica: legile naturii sunt in asa fel alcatuite incat este imposibil sa contruesti un perpetuum mobile ( de speta 1 si a 2-a ).

Cele doua principii, cel al constantei vitezei luminii si principiul lui Galilei de relativitate, reprezinta punctul de plecare.Ne amintim de observatorul din tren, care a putut confirma simultaneitatea deplasarii luminii in sistemul sau spre deosebire de colegul de pe terasement. Dupa cum s-a mai aratat, in fizica clasica simultaneitatea tuturor sistemelor inertiale a fost acceptata fara obiectii. Acum acest concept devine un "ajutor al gandirii" . Sa-l analizam, efectuand in gand urmatorul experiment: simultaneitatea va fi dovedita daca se va reusi sa se sincronizeze un ceas U aflat intr-un loc A cu un al doilea ceas U' in B, pentru a fi reglat, iar a doua presupune sa se compare timpul cu ajutorul unor semnale.

Prima metoda

E posibil ca cele cele doua ceasuri sa fie sincrinizate in punctul B, dar nu este sigur ca reglarea mai este valabila cand ceasul U se afla din nou in A. In orice caz, aceasta supozitie nu poate fi verificata, neavand prin urmare, in sensul lui Mach, nici o semnificatie pentru stiinta naturii.

A doua metoda

Pentru a lamuri aceasta metoda ne vom folosi de urmatorul exemplu: pe Rin se afla trei vapoare, care alcatuesc un convoi, fiind numite A,B si C. Fiind ceata, se utilizeaza semnale sonore in scopul compararii ceasurilor de pe cele trei vapoare. La un anumit moment dat, A emite un semnal, la care marinarii din B si C isi vor potrivi ceasurile conform unei intelegeri prealabile. Deoarece ceasurile trebuie sincronizate foarte precis, este necesar sa se ia in considerare si timpul pe care semnalul are nevoie pentru a strabate drumul. Pentru aceasta, distanta dintre sursa de vibratii sonore A si locurile B si C precum si viteza de propagare a sunetului trebuie sa fie cunoscute. In acest mod, poate fi dovedita simultaneitatea relativa a celor trei ceasuri in unul si acelasi sistem.

Spre a gasi un sistem de referinta pentru vapoare, trebuie sa intemeiem conceptul de timp pe legea propagarii luminii. Dintre toate procesele fizice care intra in discutie pentru definirea timpului, lumina a fost cercetata cel mai bine. Dupa cum stim, ea se propaga constant indiferent de starea de miscare a suersei de lumina si de cea a observatorului. Aceasta este un rezultat sigur al cercetarii in domeniul fizicii.

Consecinte pentru dinamica

Una dintre cele mai importante consecinte ale teoriei relativitatii restranse este echivalenta dintre masa si energie.

Teoria relativitatii restranse aduce o corectura: nu numai masa de repaus ci si viteza initiala prezinta importanta pentru schimbarea vitezei. Conform teoriei lui Einstein, cu cat viteza initiala este mai mare, cu atat creste si forta necesara pentru a o modifica. La viteze apropiate de viteza luminii, rezistenta corpului miscat (deci a masei inerte) devine foarte mare, apropiindu-se de infinit. Viteza maxima posibila este viteza luminii.

EXPERIMENTE ADITIONALE

Morley nu era convins de propriile rezultate si a continuat experimente aditionale cu Dayton Miller. Miller a lucrat pe experimente din ce in ce mai mari, culminand cu unul cu o lungime a bratului efectiva de 32 m la o instalatie de la Observatorul de pe Muntele Wilson. Pentru a evita posibilitatea ca vantul eteric sa fie blocat de ziduri, a folosit un atelier cu ziduri subtiri, in principal din panza. A masurat consistent un mic efect pozitiv care varia cu fiecare rotatie a dispozitivului, cu ziua siderala si anual. Masuratorile sale au dat o viteza de revolutie a Pamantului de doar ~10 km/s in loc de valoarea asteptata de ~30 km/s. El a ramas convins ca aceasta s-a datorat antrenarii partiale in curent, si nu a incercat sa gaseasca o explicatie mai detaliata.

Desi mai tarziu Kennedy a efectuat si el un experiment pe Muntele Wilson, gasind 1/10 din deplasarea masurata de Miller, fara vreun efect de-a lungul anului, descoperirile lui Miller au fost considerate importante la acel moment, si au fost discutate de Michelson, Lorentz si altii la o intalnire din 1928. Nu s-a ajuns la un acord general asupra continuarii experimentelor pentru a verifica rezultatele lui Miller. Lorentz a recunoscut ca rezultatele, oricare ar fi cauza lor, nu se potriveau nici cu versiunea lui, nici cu cea a lui Einstein a relativitatii restranse. Einstein nu a fost prezent la intalnire si credea ca rezultatele se datoreaza erorilor experimentale. Pana astazi, nimeni nu reusise sa replice rezultatele lui Miller, si experimentele moderne au au precizii care le contrazic.

Recent, au devenit comune repetari ale experimentului Michelson-Morley. Laserii si maserii amplifica lumina reflectand-o in mod repetat intr-o cavitate calibrata cu grija, determinand astfel atomi de mare energie din cavitate sa emita lumina mai multa. Rezultatul este o lungime a caii de ordinul kilometrilor. Mai mult, lumina emisa intr-o cavitate poate fi folosita pentru a incepe aceeasi cascada intr-un alt set la unghiuri drepte, creand astfel un interferometru de mare precizie.

Primul astfel de experiment a fost condus de Charles H. Townes, unul din co-creatorii primului maser. Experimentul din 1958 a dat o limita superioara vitezei, luand in calcul orice eroare experimentala, de doar 30 m/s. In 1974 o repetare cu laseri mai precisi in experimentul Trimmer triunghiular a redus aceasta limita maxima la 0,025 m/s, si a inclus teste ale antrenarii curentilor plasand unul din picioare in sticla. In 1979 experimentul Brillet-Hall a dat o limita superioara de 30 m/s pentru orice directie, dar a redus aceasta la 0,000001 m/s pentru cazul bidimensional (adica eter partial antrenat sau fix). O repetare de un an cunoscuta sub numele de Hils si Hall, publicata in 1990, a redus limita de anizotropie la 2x10-13.

BIBLIOGRAFIE

Manual fizica -clasa a 12-a editura ALL

Wikipedia -the free encyclopedia