Experimento Michelson-Morley

4.2 Michelson - Morley e inconstancia velocidad de la luz
4.2.1 Antecedentes y interpretación real
Michelson y Morley experimento se diseñó para medir el movimiento de la tierra a través del éter , un medio de la hipótesis de que permite que la luz como onda de viajar a través del espacio .
La velocidad de la luz ( c ) que se desplaza a través de éter cambiaría de un valor determinado ( c + v ) cuando la luz se desplaza en la misma dirección que el éter a otro valor ( CV ) cuando se viaje de la luz en la dirección inversa del éter .
El instrumento utilizado para este experimento fue un interferómetro óptico construido por Michelson , y que consiste , en principio , en una fuente de luz, un espejo semitransparente de cristal, dos espejos , y un telescopio . Los espejos se colocan en ángulos rectos entre sí y a igual distancia de la placa de vidrio , que está orientada en un ángulo de 45 ° con respecto a los dos espejos . Los espejos se montaron sobre una base rígida que gira libremente sobre un recipiente lleno de mercurio líquido con el fin de reducir la fricción .
La luz de una fuente de L se divide en dos haces por medio de un espejo plateado en P. Los haces se reflejan en dos espejos S1 y S2 , respectivamente, y volver a través del espejo semi-plateado al telescopio , donde el observador tomó nota del número de franjas de interferencia .
En el experimento después de la división , un fascículo de viaje de la luz en una dirección paralela a la velocidad de un bastidor móvil , y el otro de viajes a la misma distancia en una dirección perpendicular . El tiempo de vuelo en esta dirección diferente y se calcula en base a la teoría de onda , si hay un tiempo diferente de vuelo una imagen de interferencia debe aparecer . En la figura 4.4 se suponía que el interferómetro para mover verticalmente con velocidad v con respecto al éter .

MM01
Figura 4.4 dispositivo simplificado MM

El tiempo de vuelo se calcula sobre la PS1P caminos
MM05 ( 4.1 )
MM06 ( 4.2 )

En el camino PS2P la trayectoria de la luz observada sería en un ángulo

MM02Figure 4.5

Por el teorema de Pitágoras :

MM07 ( 4.3 )
MM08 ( 4.4 )

La diferencia de tiempo es :

 mm09 ( 4.5 ) donde mm10

Si el interferómetro se gira 90 grados :
mm11 ( 4.6 )
 MM12 ( 4.7 )
El interferómetro debe registrar los cambios marginales en la rotación debido a los diferentes horarios de los vuelos .
El resultado de este experimento fue un resultado 'nulo ' aparente . Es decir, los tiempos de viaje parece ser la misma , lo que sugiere que no había éter llevar a las ondas de luz . La exactitud de su resultado , precisamente , la velocidad o la tierra con respecto a cualquier marco de éter ha de ser menos de 8 km / s , aunque la velocidad orbital de la tierra es de 30 km / s .
Durante un período de alrededor de 50 años , el experimento de Michelson - Morley se repitió con niveles crecientes de sofisticación . El resultado global es un alto nivel de confianza en que el cambio de longitud de onda es consistente con cero .
Lorentz y Fitzgerald propuso por primera vez una explicación a este resultado nulo experimental , llamada la " hipótesis de la contracción " , sin necesidad de modificar los conceptos del physic clásica y manteniendo intacto el concepto de éter en reposo.
De acuerdo con esto, cuando algo se mueve , se contrae en la dirección que se está moviendo . Por lo tanto, un brazo del interferómetro , paralelo al movimiento del éter se acortaría esta cantidad , y sin cambio de franja se obtendría cuando el instrumento se hizo girar . Incluso hoy en día , todavía hay científicos que creen que el éter se une de alguna manera a la tierra y el experimento MM no lo midas .
Einstein mantiene la forma de la transformación de Lorenz , pero cambia la interpretación. Usando el segundo postulado relacionada con la velocidad constante de la luz independiente del movimiento relativo de observador los resultados nulos de experimento MM es evidente .

explicación propuesta

Es necesario destacar la inutilidad del concepto de éter en una teoría corpuscular de la luz, por lo que no vale la pena discutir sobre este tema .
En una interpretación corpuscular , interferencia de la luz , si aparece, se puede interpretar en cuenta la dispersión de un haz de fotones debido a un obstáculo concreto.
Este no es el caso para el experimento MM , donde se supone que interferencia de la luz ot ser causado por un retraso de una parte del fascículo después de la división , lo cual es imposible en principio .
Sólo en algunos textos se describen los aspectos prácticos sobre experimentos MM , y es importante hacer una revisión de los mismos.
El espejo plateado medio está formado por una lámina de vidrio con una capa delgada de plata recubierta por una cara como en la figura 4.6 .
MM03
Figura 4.6 espejo plateado

En el dispositivo ( fig. 4.4 ) , fascículo PS1P se refleja por primera vez por medio del espejo plateado en P , de nuevo reflejada por el espejo en S1 y después de que pase una vez a través de medio espejo plateado y llegar al detector. El fascículo pasar una sola vez a través de hoja de vidrio en todo este viaje.
El segundo PS2P fascículo pasar una vez a través de un medio espejo plateado en P , se refleja en S2 , y pasar de nuevo a través de un medio espejo plateado ( dos veces) , y después de que llegan al detector . Este fascículo , pasan prácticamente tres veces a través de hoja de vidrio .
Con el fin de compensar esta diferencia de camino a través del cristal , un compensador ( un trozo de vidrio - P ' ) se introduce en PS1P fascículo con el fin de tener el mismo camino óptico a través de vidrio tanto para los fascículos .
De una , teoría de las ondas "punto de vista , de forma experimental es imposible establecer la misma , ruta " para ambos fascículos , porque es imposible hacer capas con el mismo espesor en el nivel de precisión requerido por este experimento. Suponiendo que en una disposición regular de los átomos , que sería necesaria para hacer capas con el mismo número de átomos en línea . Desafortunadamente vidrio es amorfo para que aparezca un problema adicional .
Pero la mente humana de la invención superó este obstáculo de una manera diferente . Con el dispositivo fijado en una posición, el compensador se arregla y se adaptan a través de más tentativa y no, " existe interferencia. Después de que todo el dispositivo se gira y busca en el observador , , interferencia "modificación patrón .
De una teoría corpuscular , la rotación del instrumento entero con el fin de obtener franja de interferencia es sin sentido como luz larga tiene una naturaleza corpuscular , porque es imposible obtener una dispersión de fascículo debido al retraso de un fascículo .
Pero desde un punto de vista corpuscular , en la medida de los fascículos viajan estos caminos en diferentes momentos y este viejo experimento, con pequeños cambios, pueden demostrar dos cosas :
• Propagación de la luz no tiene la misma velocidad en los brazos del interferómetro ;
• Velocidad de la luz se modifica después de un fascículo de la luz se hace pasar a través de una lámina transparente y emerge de nuevo en el aire en comparación con la velocidad de fascículo reflejada.
En el dispositivo modificado , en lugar de un observador humano capaz de observar la franja de interferencia , una célula fotónica capaz de registrar la intensidad del haz de luz está instalado . Con este simple cambio , en principio, es posible trazar la intensidad en función del tiempo , y para determinar si un fascículo llega con antelación . El problema se refiere a las diferencias entre los dos fascículos que se encuentran bajo los límites reales de detección con el fin de ser contados . Manteniendo la misma trayectoria óptica tanto para fascículo el tiempo , la diferencia debido al movimiento orbital de la Tierra es de aproximadamente 10 exp ( -16 ) s , a una diferencia pequeña para ser contados .
Sin embargo, hay una posibilidad de aumentar esta diferencia , si la ruta de acceso a través de vidrio se hace desigual para divididas y fascículos .
En una teoría corpuscular de la luz un fascículo de la luz que pasa a través de una capa de vidrio pierde una parte de su energía y cuando salga de la velocidad de los fotones es más pequeño sea el antes de entrar en la capa de vidrio . En el experimento propuesto , si la ruta de un fascículo a través del cristal se hace mayor que otro camino la diferencia entre los tiempos de llegada de los dos fascículos divididas y se puede hacer todo 10exp ( -10 ) s . Tal diferencia se observa al menos cualitativamente en una parcela de intensidad en función del tiempo fascículo . En una parcela al menos una joroba debido a la llegada de un fascículo de antemano debe ser detectada como en la figura 4.7
MM04

Figura 4.7 Variación esperada de la intensidad del fascículo

Un experimento defectuoso ( MM) tiene una interpretación física real en el mismo nivel . La propuesta de modificación del experimento MM original hace claramente la diferencia entre la interpretación y la interpretación corpuscular propuesto. El retardo exacto de un fascículo debido a la necesidad de capa de vidrio , en primer lugar , una descripción de la interacción de la luz con la materia , sujeto desarrollado en el futuro libro óptica .
El experimento MM en la teoría propuesta no tiene nada que ver con el fundamento para una teoría de la relatividad .

4.2 Michelson-Morley experiment and light speed inconstancy
4.2.1 Background and actual interpretation
Michelson and Morley's experiment was designed to measure the motion of the earth through the ether, a hypothesized medium that allows light as wave to travel through space.
The velocity of light (c) traveling through ether would change from a certain value (c+v) when light was traveling in the same direction as the ether to another value (c-v) when light travel in the reverse direction of the ether.
The instrument used for this experiment was an optical interferometer built by Michelson, and consisting, in principal, in a light source, a half-silvered glass mirror, two mirrors, and a telescope. The mirrors are placed at right angles to each other and at equal distance from the glass plate, which is oriented at an angle of 45° relative to the two mirrors. The mirrors were mounted on a rigid base that rotates freely on a basin filled with liquid mercury in order to reduce friction.
Light from a source L is split into two beams by a half silvered mirror at P. The beams are reflected at two mirrors S1 and S2 respectively and return through the half-silvered mirror to the telescope, where the observer noted the number of interference fringes.
In experiment after splitting, a fascicle of light travel in a direction parallel to the velocity of a moving frame, and the other travel the same distance in a perpendicular direction. The time of flight in this different direction is calculated and on wave theory basis, if there is a different time of flight an interference picture must appear. In fig 4.4 the interferometer was supposed to move vertically with velocity v with respect to the ether.

Figure 4.4 MM simplified device

The time of flight can be calculated on the paths PS1P 
(4.1)
(4.2)

On path PS2P the observed light path would be at an angle

Figure 4.5

By the Pythagorean theorem:

 (4.3)
   (4.4)

The time difference is :

 (4.5) where 
If the interferometer is rotated by 90 degrees:

    (4.6)
  (4.7)
The interferometer should register fringe shifts at rotation due to the different times of flights.
The result of this experiment was an apparent ‘null’ result. That is, the times of travel seems to be the same, suggesting there was no ether carrying the light waves. The accuracy of their result, precisely, the velocity or the earth relative to any ether frame must be less than 8 km/s, although the earth's orbital speed is 30 km/sec. 
Over a period of about 50 years, the Michelson-Morley experiment was repeated with growing levels of sophistication. The overall result is a high level of confidence that the wavelength shift is consistent with zero. 
Lorentz and Fitzgerald proposed first explanation to this experimental null result, so called the "contraction hypothesis", without modifying the classical physic’s concepts and keeping intact the concept of ether at rest.
According to this, when something is moving, it shrinks in the direction it is moving. Therefore an arm of the interferometer, parallel to the motion of the ether would be shortened by this amount, and no fringe shift would be obtained when the instrument was rotated. Even today, there are still scientists who believe that ether is somehow attached to the earth and the MM experiment didn't measure it.
Einstein keeps the form of Lorenz transformation but change the interpretation. Using the second postulate related to the constant velocity of light independent of the relative motion of observer the null results of MM experiment is evident.

Proposed explanation

It is necessary to highlight the inutility of ether concept in a corpuscular theory of light, so it is not worth to discuss about this item. 
In a corpuscular interpretation, light interference, if it appears, can be interpreted taken into consideration the dispersion of a beam of photons due to a specific obstacle. 
This is not the case for M-M experiment, where light interference is supposed ot be caused by a  delay of a part of fascicle after splitting, which is impossible in principle.
Only in few texts practical aspects about M-M experiments  are described, and is important to make a review of them. 
The half silvered mirror is formed by a glass sheet with a thin layer of silver coated on one face like in fig 4.6.

Figure 4.6 Silvered mirror

In the device (fig. 4.4), fascicle PS1P is first reflected by half silvered mirror at P, again reflected by mirror in S1 and after that pass once through half silvered mirror and arrive at detector. The fascicle pass only once through glass sheet on this entire trip.

The second fascicle PS2P pass once through half silvered mirror at P, is reflected at S2, and pass again through half silvered mirror (two times), and after that arrive to the detector. This fascicle, practically pass three times through glass sheet.
In order to compensate this difference of path through glass, a compensator (a piece of glass–P’) is introduced in PS1P fascicle in order to have the same optic path through glass for both fascicles. 
From a ,,wave theory” point of view, experimentally is impossible to set up the same ,,path” for both fascicle, because it’s impossible to make layers with the same thickness at level of precision required by this experiment. Supposing in a regular arrangement of atoms, it would be necessary to make layers with the same number of atoms in line. Unfortunately glass is amorphous so a supplementary problem appears. 
But the human inventive mind surpassed this obstacle in a different way. With device fixed in one position, the compensator is arranged and adapt through more tentative and no ,,interference” exist. After that the entire device is rotated and observer searches the ,,interference“ pattern modification. 
From a corpuscular theory, the rotation of entire instrument in order to obtain interference fringe is without sense as long light has a corpuscular nature, because it is impossible to obtain a dispersion of fascicle due to the retardation of a fascicle. 
But from a corpuscular point of view, as far the fascicles travel these paths in different times and this old experiment, with small changes, can prove two things:
• Propagation of light has not the same speed in the arms of interferometer;
• Speed of light is modified after a fascicle of light is passed through a transparent sheet and emerges again in air in comparison with the speed of reflected fascicle. 
In the modified device, instead of a human observer able to observe the fringe of interference, a photon cell able to register the intensity of light beam is installed. With this simple change, in principle it is possible to plot the intensity versus time, and to determine if one fascicle arrives in advance. The problem regards the differences between the two fascicles which are under actual limits of detection in order to be counted. Keeping the same optical path for both fascicle the time, the difference due to the orbital motion of the Earth is about 10 exp(-16) s, a difference to small to be counted. 
But there is a possibility to increase this difference if the path through glass is made unequal for splitted fascicles. 
In a corpuscular theory of light a fascicle of light passing through a glass layer loose a part of his energy and when emerge from the speed of photons is smaller the before entering in glass layer. In proposed experiment, if the path of one fascicle through glass is made greater then other path the difference between arrival times of the two splitted fascicles can be made around 10exp(-10) s. Such difference can be observed at least qualitatively on a plot of fascicle intensity versus time. On a plot at least a hump due to the arrival of one fascicle in advance must be detected like in fig 4.7

Figure 4.7 Expected variation of fascicle intensity

A faulty experiment (M-M) has an interpretation in actual physics on the same level. The proposed modification to the original MM experiment makes clearly the difference between actual interpretation and proposed corpuscular interpretation. The exact retard of a fascicle due to the glass layer need, firstly, a description of light interaction with matter, subject developed in future optic book. 
The MM experiment in proposed theory has nothing to do with the fundament for a relativity theory.