Michelson-Morely Experiment?

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Vom Fragesteller als hilfreich ausgezeichnet

Hallo Hala1666,

das MICHELSON- MORLEY- Experiment (MMX) sollte die Bewegung der Erde relativ zu einer hypothetischen, allgegenwärtigen Supersubstanz namens Äther mit einem Interferometer nachweisen. Die Strahlen wandern die Armehin und zurück und überlagern sich, was Streifen gibt.

Relativ zum Äther breitet sich das Licht laut MAXWELLs Vorstellungen stets mit c aus.

a) Erkläre, wie man auf diese Werte kommt...

Die Idee ist, dass das Licht relativ zum Interferometer in Bewegungsrichtung mit c − v =: c(1 − β) und entgegen dieser Richtung mit c(1 + β) unterwegs sei und daher insgesamt

(1.1) tₚ = d/c(1 − β) + d/c(1 + β)

brauche. Um zu addieren, müssen wir den ersten Summanden mit 1 + β und den zweiten mit 1 − β erweitern; mit der 3. Binomischen Formel ergibt sich

(1.2) tₚ = 2d/c(1 − β²).

Bei der Bewegung des Lichtsignals quer zur Bewegungsrichtung muss man sich klar sein, dass sich das Lichtsignal relativ zum hypothetischen Äther schräg ausbreitet und seine Geschwindigkeit in Bewegungsrichtung eine Komponente der Größe cβ hat. Für die Komponente quer zur Bewegungsrichtung bleibt daher noch c√{1 − β²} übrig, sodass das Signal hin und zurück

(2) tₙ = 2d/c√{1 − β²}

braucht, also etwas weniger Zeit (der Nenner ist etwas größer, es steht ja immer etwas da, was kleiner als 1 ist).

Die Differenz ist

(3.1) tₚ − tₙ = 2d⁄c(1⁄(1−β²) − 1⁄√{1−β²}),

wobei wir mit √{1 − β²} erweitern müssen:

(3.2) tₚ − tₙ = 2d(1 − √{1−β²}) /c(1−β²)

Eigentlich lässt sich das nicht mehr vereinfachen. Für β << 1 ist aber erst recht β² << 1, und so können wir die Näherung

(N1) √{1 − β²} ≈ 1 − ½β²

und die Näherung

(N2) 1⁄(1 − β²) ≈ 1 + β²

auf (3.2) anwenden und erhalten

(3.3) tₚ − tₙ ≈ d(β² + β⁴)⁄c ≈ dβ²⁄c.

...und woran man diesen Unterschied in der Laufzeit im Experiment hätte erkennen sollen!

Wenn man das Interferometer dreht, wechseln seine Arme die Rollen: Die zuvor längere Laufzeit wird kürzer, die kürzere länger. Dadurch sollten sich die Interferenzstreifen verschieben.

b) Ein Punkt auf der Erdoberfläche bewegt sich aufgrund der Erdrotation bereits mit hoher Geschwindigkeit. Gleichzeitig bewegt sich die Erde um die Sonne und das gesamte Sonnensystem kreist um das Zentrum der Milchstraße. Die aus Messungen abgeleitete Summe der verschiedenen Geschwindigkeitskomponenten unseres Sonnensystems beträgt etwa 370 Kilometer pro Sekunde. Wie groß müsste der Laufzeitunterschied bei einem Abstand der Spiegel A und B von der Mitte S von einem Meter sein, wenn man diese Geschwindigkeit für die Erde annimmt?

Du setzt die Zahlen in (3.3) ein. Ganz grob gerechnet ist β etwas weniger als 5⁄4∙10⁻³, also ist β² ≈ 25⁄16∙10⁻⁶ und d/c etwas mehr als 10⁄3∙10⁻⁹ s, sodass in diesem Fall

(4.1) tₚ − tₙ ≈ 250⁄48∙10⁻¹⁵ s,

also etwas mehr als 5×10⁻¹⁵ s herauskommt.

PS: Ich habe es berechnet und bekam 5,07075×10⁻¹⁵ s, stimmt es?

Offensichtlich liegt es zumindest ziemlich nahe dran.

Der Gangunterschied von Lichtwellen ist damit übrigens überraschend groß, nämlich

(4.2) c(tₚ − tₙ) ≈ 750⁄48∙10⁻⁷ m = 25⁄16∙10⁻⁶ m ≈ 1,5×10⁻⁶ m,

deutlich über der Wellenlänge sichtbaren Lichts die bei so etwas wie 3,9×10⁻⁷m bis 7,8×10⁻⁷ m liegt.

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – + Auseinandersetzung mit Gegnern der RT
Hala1666 
Fragesteller
 06.11.2023, 18:13

Aber eine wo kommt die Beta her und wie rechnet man es aus?

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SlowPhil  06.11.2023, 18:46

Vielen Dank für den Stern!

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v = k * c = 1,233... *10^(-3) * c ; k = 1,233... *10^(-3)

D = 1 m ; c = 3 * 10^8 m/s ;

tp - tn = 2*D /c * [ 1 - Wurzel(1- k^2) ] / (1- k^2)

Bei mir ergibt sich tp - tn = 2,5 *10 (-15) sek = 2,5 10^(-6) nano sek

Keine Garantie für Rechen- oder Tippfehler.

Woher ich das weiß:Berufserfahrung – Lehrer u. Fachbetreuer für Mathematik und Physik i.R.
Hala1666 
Fragesteller
 03.11.2023, 23:26

Aber tp= 2DC/C^2-v^2

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Hala1666 
Fragesteller
 04.11.2023, 18:42
@Littlethought

Laufzeitunterschied ist tp-tn oder was anders und stimmt diese Lösung die im Bild .Danke im Voraus

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Littlethought  04.11.2023, 22:15
@Hala1666

In der Angabe war nicht klar, was D genau ist. Ich habe für D = 1m eingesetzt. Die Lösung im Bild ist doppelt so groß wie meine Lösung. Dies würde sich für D=2 m ergeben.

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Hala1666 
Fragesteller
 04.11.2023, 23:26
@Littlethought

Ich habe auch für D=1 eingesetzt aber in der Formel steht 2D deshalb und ist der Laufzeitunterschied tp-tn oder rechnet man es anders?

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Littlethought  05.11.2023, 11:01
@Hala1666

Ok, vielleicht habe ich den Faktor 2 beim Rechnen vergessen. Ich rechne jetzt nicht noch mal nach.

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SlowPhil  05.11.2023, 22:12

Bedenke, dass für β << 1 die Näherung

√{1 − β²} ≈ 1 − ½β²

gilt.

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