Warum wird das Michelson-Morley-Experiment als Nullergebnis betrachtet?

Zunächst eine allgemeine Bemerkung: Kein Experiment kann ein exaktes Nullergebnis erzielen, da es immer etwas Rauschen gibt. Im Falle des Michelson- und Morley-Experiments waren die Armlängen nicht genau gleich, die Lichtstrahlen trafen in unterschiedlichen Winkeln auf jeden Spiegel usw. Entscheidend ist, ob das Ergebnis innerhalb der experimentellen Unsicherheit Null ist.

Dann wurde das Experiment von Michelson und Morley entwickelt, um die Hypothese des gezogenen Äthers von Fresnel zu testen. Das Ergebnis, das sie gefunden haben, hat dies verfälscht, wie @Ruslan betonte. Da das Ergebnis jedoch innerhalb der experimentellen Grenzen Null war, wurde es als Nullergebnis angesehen.

Noch wichtiger ist, dass die einzige Relevanz des Michelson-Morley-Experiments darin besteht, die spezielle Relativitätstheorie (SR) zu testen, aber dann sind sie nicht die einzige Art solcher Experimente. Sie haben auch den Kennedy-Thorndyke-Typ, den Ives-Stilwell-Typ, den Mössbauer-Typ, Doppler usw. Daher braucht man eine sinnvolle Möglichkeit, sie alle zu vergleichen. Die Betrachtung von Streifenverschiebungen ist nicht allgemein genug: Erstens messen das einige Experimente nicht und dann sind sogar bei allen optischen Experimenten die Streifenverschiebungen vom experimentellen Aufbau abhängig und sie können nicht direkt miteinander verglichen werden. Als Ergebnis haben Physiker sogenannte Testtheorien entwickelt, die es ermöglichen, von SR abzuweichen, innerhalb derer man jedes Experiment modellieren kann. Die am häufigsten verwendete ist die von Mansouri und Sexl [1,2,3]. Das ist konzeptionell so einfach, dass ich es hier beschreibe, bevor ich dann Michelson-Morley und Joos vergleichen kann. Ich habe nicht alle Ihre anderen Referenzen studiert.

Man nimmt an, dass es ein Inertialsystem gibt$\Sigma$in dem die Lichtgeschwindigkeit isotrop ist und in dem Uhren mit Einsteins Verfahren synchronisiert werden, dem Ether-Rahmen, der normalerweise als "CMBR-Rahmen" gewählt wird. Lassen$X$,$Y$,$Z$Und$T$seien die Raum- und Zeitkoordinaten in$\Sigma$. Dann betrachtet man einen anderen Rahmen$S$sich mit einer Geschwindigkeit bewegen$v$entlang der x-Achse, wo Koordinaten sind$x$,$y$,$z$Und$t$(daher$v\approx 300\, \mathrm{km}/\mathrm{s}$). Schließlich nimmt man folgende Transformationen an:

Wo$a$,$b$,$d$,$\epsilon$,$\epsilon_2$, Und$\epsilon_3$sind Funktionen der Geschwindigkeit$v$. Diese letzten 3 Funktionen definieren die Synchronisierung, die in verwendet wird$S$und sie sind daher falsch: nur$a$,$b$, Und$d$kann experimentell untersucht werden. Dies geschieht, indem sie in Reihe erweitert werden$v$(Das kann man beweisen$a$,$b$Und$d$muss gerade sein, also muss der Term erster Ordnung null sein):

Dann kann jeder experimentelle Test der speziellen Relativitätstheorie in diesem Rahmen analysiert werden, und dies führt zu Obergrenzen für Kombinationen von$\alpha$,$\beta$Und$\delta$, wie SR entspricht$\alpha=\beta=+1/2$Und$\delta=0$.

Für Michelson-Morley-Experimente der Unterschied$\delta\tau$im Strahlengang zwischen den beiden Armen liest

Wo$l_1$Und$l_2$sind die Längen der Arme, und$\theta$ist die Ausrichtung eines der Arme. Zum Beispiel für das ursprüngliche Michelson-Morley-Experiment$\delta\tau < 0.005\lambda$,

während für Joos-Experiment

eine Verbesserung um zwei Größenordnungen.

[1] Reza Mansouri und Roman U. Sexl. Eine Testtheorie der speziellen Relativitätstheorie: I. Gleichzeitigkeit und Uhrensynchronisation. Allgemeine Relativitätstheorie und Gravitation, 8(7):497–513, 1977.

[2] Reza Mansouri und Roman U. Sexl. Eine Testtheorie der speziellen Relativitätstheorie: II. Tests erster Ordnung. Allgemeine Relativitätstheorie und Gravitation, 8(7):515–524, 1977.

[3] Reza Mansouri und Roman U. Sexl. Eine Testtheorie der speziellen Relativitätstheorie: III. Prüfungen zweiter Ordnung. Allgemeine Relativitätstheorie und Gravitation, 8(10):809–814, 1977.

Sie können niemals sagen, dass irgendetwas Null ist, Sie können ihm nur eine Obergrenze setzen, weil der Effekt immer kleiner und kleiner gemacht werden kann, bis er für Ihren Apparat nicht mehr von Null zu unterscheiden ist. Zu sagen: „Das erwartete Ergebnis war$x$, aber es war nicht mehr als$x/20$“ sagt im Grunde „Ich konnte den Effekt nicht messen“, aber in einer präziseren Sprache.