Usuari:Mcapdevila/Interferòmetre de Michelson

Esquema d'un interferòmetre de Michelson.

Visualització dels anells d'interferència.

L' interferòmetre de Michelson, inventat per Albert Abraham Michelson, és un interferòmetre que permet mesurar distàncies amb una precisió molt alta. El seu funcionament es basa en la divisió d'un feix coherent de llum en dos feixos perquè recorrin camins diferents i després convergeixin novament en un punt. D'aquesta manera s'obté el que s'anomena la figura d'interferència que permetrà mesurar petites variacions en cada un dels camins seguits pels feix. Aquest interferòmetre va ser usat per Michelson juntament amb Edward Morley per provar precisament l'existència del èter, en el famós experiment de Michelson-Morley.

Interpretacions del perquè va fallar l'experiment

Irònicament, després de totes les expectatives, l'experiment va fallar a tot arreu i en totes les oportunitats que es va realitzar, ja que el interferòmetre no va lliurar cap alteració de velocitat de la llum i, per tant, cap dels efectes que el "vent de l'èter" havia de produir.

• Ernst Mach va ser un dels primers físics a interpretar el resultat lliurat per l'interferòmetre de Michelson i Morley, doncs va considerar que l'experiment era adequat i va suggerir elaborar una nova teoria que reemplacés a la de l'èter.

• Les investigacions iniciades arran de la interpretació lliurada al resultat proporcionat per l'experiment van portar a una teoria alternativa on es suggeria que la velocitat contreia la longitud dels objectes en moviment, el que al capdavall va esdevenir en la contracció de Lorentz, que matemàticament explicava el resultat nul obtingut. La contracció de Lorentz està representada per la següent expressió matemàtica:

$L_{1}=L_{2}{\sqrt {1-\left({\frac {v^{2}}{c^{2}}}\right)}}$

• El desenvolupament de la contracció Lorentz va desembocar en la relativitat especial de Einstein. És important observar que la velocitat de la llum no és un límit de velocitat en el sentit convencional. Un observador que persegueix un raig de llum el mesuraria en moure's paral·lelament ell mateix viatja a la mateixa velocitat com si fos un observador estacionari. Això comportaria a conseqüències inusuals per a la velocitat.

• L'anàlisi de les interpretacions dels resultats de l'experiment, a l'ombra del que demostrat per Fizeau, per a alguns, es constata que no hi ha res de nou en el resultat negatiu lliurat per l'interferòmetre de Michelson i Morley, ja que afegeixen que qualsevol mesura realitzada dins del mateix sistema de referència és nul·la, atès que vectorialment parlant no hi havia res a afegir a la velocitat de la llum. Segons el matemàtic cubà Aurelio Baldor: «Si al mateix temps, el minuend i el subtrahend augmenta un mateix nombre, EL RESULTAT NO DIVERGEIX". »

$\,\,\,C\,\,+\,\,V\,\,-\,\,V\,\,=\,\,C\,\,\,$

Això, portat a la física vol dir que en tots els sistemes de referència amb moviment relatiu uniforme entre sí a una velocitat qualsevol, les lleis de la mecànica tenen exactament la mateixa forma, o, més encara, que és impossible observar el moviment relatiu uniforme d'un sistema respecte a un altre situat al mateix sistema de referència. Segons Resnick (pàgina 24) « En general, cap experiment efectuat totalment dins d'un sistema inercial, pot indicar l'observador quin és el moviment d'aquest sistema respecte a qualsevol altre sistema inercial »

Però això no és nou ja que Galileu al "Diàleg dei Massimi sistemi" (que avui es coneix com "PRINCIPI DE Relats de GALILEO"), va dir el mateix però en altres paraules: «Tanqueu-vos amb algun amic en la major habitació que hagi sota coberta en algun gran vaixell i procureu tenir-hi mosques, papallones i alguns animals voladors d'aquest tipus; disposeu també d'un gran recipient amb aigua i amb petits peixos dins del mateix ... i, mentre la nau es troba parada, observeu acuradament com aquells animalets que volen amb la mateixa velocitat es dirigeixen cap a les diferents parts de l'habitació, es podrà apreciar que els peixos neden indiferentment en tots els sentits... Un cop observades acuradament totes aquestes coses, encara que no hi hagi cap dubte que mentre la nau està quieta ha de succeir així, feu moure el vaixell amb la velocitat que es vulgui i (sempre que el moviment sigui uniforme i no fluctua d'una banda a un altre) no reconeixereu el mínim canvi en tots aquells efectes esmentats, ni per cap d'ells podreu saber si la nau camina o està parada.»

Segons William Pepperell Montague, l'enginyosa hipòtesi de Lorentz i Fitzgerald, peca de cert desavantatge metodològic, ja que suposa una acció de l'èter sobre la matèria, contracció que és invocada ad hoc per justificar la seva pròpia dificultat de trobar la resposta correcta als resultats negatius de l'experiment de Michelson-Morley. Malgrat el molt atractiva que és aquesta hipòtesi, no creiem que sigui veritable. En un món Lorentz, en què el moviment seria absolut, el mateix èter que escurça els espais dels cossos que es mouen, només en la direcció unidimensional del moviment.

En general, la velocitat de les ones que travessen qualsevol medi depèn totalment de l'estructura del medi, de la seva densitat i de la seva elasticitat, i no de la velocitat del cos que les envia, per tant, si les ones lluminoses de mouen a través de l'aire atmosfèric terrestre, hem d'esperar que les ones de llum es comportin com les altres ones. Llavors, les ones lluminoses que viatjaven per ambdós braços de l'interferòmetre de Michelson i Morley, en haver desplaçat per l'aire atmosfèric (arrossegat pel planeta), no ho van fer ni per l'èter immòbil ni pel mòbil, el que explicaria els resultats negatius l'experiment realitzat per Michelson i Morley, i per aquest motiu són exactament el que eren d'esperar, no hi ha en ells misteri, ni hi ha necessitat de subjectar la nostra mecànica newtoniana tradicional a la reforma Lorentz ni a la revolució einsteniana.

Configuració

En un principi, la llum és dividida per una superfície semimirallada (o divisora de feixos) en dos feixos. El primer és reflectit i es projecta fins al mirall (a dalt), del qual torna, travessa la superfície semimirallada i arriba al detector. El segon llamp travessa el divisor de feix, es reflecteix en el mirall (dreta) després és reflectit en el semimirall cap avall i arriba al detector.

L'espai entre el semimirall i cada un dels miralls s'anomena braç de l'interferòmetre. Normalment un d'aquests braços romandrà inalterat durant un experiment, mentre que a l'altre es col·locaran les mostres a estudiar.

Fins a l'observador arriben dos feixos, que tenen una diferència de fase depenent fonamentalment de la diferència de camí òptic entre els dos raigs. Aquesta diferència de camí òptic pot dependre de la posició dels miralls o de la col·locació de diferents materials en cada un dels braços de l'interferòmetre. Aquesta diferència de camí farà que les dues ones puguin sumar-se constructivament o destructivament, depenent de si la diferència és un nombre enter de longituds d'ona (0, 1, 2 ,...) o un nombre enter més mig (0,5; 1,5, 2,5, etc.) respectivament.

En general es fan servir lents per eixamplar el feix i que sigui fàcilment detectable per un fotodíode o projectant la imatge en una pantalla. D'aquesta manera l'observador veu una sèrie d'anells, i en desplaçar un dels miralls notarà que aquests anells comencen a moure's. D'aquesta forma es pot explicar la conservació de l'energia, ja que la intensitat es distribuirà en regions fosques i regions lluminoses, sense alterar la quantitat total d'energia.

Aplicacions

Generalment, quan es munta un interferòmetre de Michelson s'observa una figura d'interferència inicial, de la qual no es pot determinar quina és la diferència de camí, perquè si s'observa una suma constructiva només es pot inferir que la diferència és múltiple de la longitud d'ona. Per això l'interferòmetre s'usa per mesurar petits desplaçaments, una vegada que es té una figura d'interferència inicial, en canviar la posició d'un dels miralls es veurà que les franges d'interferència es mouen. Si prenem un punt de referència, per cada franja que el travessi haurem mogut el mirall una distància equivalent a una longitud d'ona (menor al micròmetre).

Cap a finals del segle XIX, quan estaven de moda les perruques fosforescents, aquest interferòmetre s'utilitzava amb fonts lluminoses de descàrrega en gasos, amb un filtre i una petita escletxa. En particular, per l'experiment de Michelson-Morley, es va utilitzar la llum provinent d'alguna estrella. Actualment en qualsevol laboratori d'ensenyament bàsic es pot muntar un d'aquests interferòmetres utilitzant un làser.

Vegeu també

• Analogia de Michelson-Morley
• Experiment de Michelson-Morley
• Interferòmetre de Fizeau

Enllaços externs

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Mcapdevila/Interferòmetre de Michelson

• Simulació de l'experiment en viu