W drugiej połowie XIX wieku fizyczne poglądy na temat natury rozchodzenia się światła, działania grawitacji i niektórych innych zjawisk coraz wyraźniej zaczęły napotykać na trudności. Wiązały się one z dominującą w nauce koncepcją eteryczną. Pomysł przeprowadzenia eksperymentu, który rozwiązałby nagromadzone sprzeczności, jak mówią, był w powietrzu.
W latach 80. XIX wieku założono serię eksperymentów, bardzo złożonych i subtelnych jak na tamte czasy - eksperymenty Michelsona mające na celu zbadanie zależności prędkości światła od kierunku ruchu obserwatora. Zanim zagłębimy się bardziej szczegółowo w opis i wyniki tych słynnych eksperymentów, należy przypomnieć sobie, czym było pojęcie eteru i jak rozumiano fizykę światła.
XIX-wieczne poglądy na naturę świata
Na początku wieku zwyciężyła falowa teoria światła, otrzymując genialne eksperymentypotwierdzenie w pracach Junga i Fresnela, a później – oraz uzasadnienie teoretyczne w pracach Maxwella. Światło absolutnie niezaprzeczalnie wykazywało właściwości falowe, a teoria korpuskularna została pogrzebana pod stosem faktów, których nie potrafiła wyjaśnić (była wskrzeszona dopiero na początku XX wieku na zupełnie nowej podstawie).
Jednak fizyka tamtej epoki nie mogła sobie wyobrazić rozchodzenia się fali inaczej niż przez mechaniczne wibracje ośrodka. Jeśli światło jest falą i może rozchodzić się w próżni, naukowcy nie mieli innego wyjścia, jak założyć, że próżnia jest wypełniona pewną substancją, ze względu na jej drgania przewodzące fale świetlne.
Świetlisty Eter
Tajemnicza substancja, nieważka, niewidzialna, niezarejestrowana przez żadne urządzenia, została nazwana eterem. Eksperyment Michelsona został właśnie zaprojektowany, aby potwierdzić fakt interakcji z innymi obiektami fizycznymi.
Hipotezy o istnieniu materii eterycznej zostały wyrażone przez Kartezjusza i Huygensa w XVII wieku, ale w XIX wieku stało się to niezbędne jako powietrze, a jednocześnie doprowadziło do nierozwiązywalnych paradoksów. Faktem jest, że aby istnieć w ogólności, eter musiał mieć wzajemnie wykluczające się lub ogólnie fizycznie nierzeczywiste właściwości.
Sprzeczności koncepcji eteru
Aby dopasować się do obrazu obserwowanego świata, świetlisty eter musi być absolutnie nieruchomy - w przeciwnym razie ten obraz byłby stale zniekształcony. Ale jego bezruch był w nieprzejednanym konflikcie z równaniami Maxwella i zasadąWzględność Galileusza. Ze względu na ich zachowanie trzeba było przyznać, że eter jest unoszony przez poruszające się ciała.
Poza tym uważano, że materia eteryczna jest absolutnie stała, ciągła i jednocześnie w żaden sposób nie utrudniająca ruchu ciał przez nią, nieściśliwa, a ponadto posiadająca sprężystość poprzeczną, w przeciwnym razie nie przewodziłaby fal elektromagnetycznych. Ponadto eter został pomyślany jako substancja wszechprzenikająca, co znowu nie pasuje do idei jego pasji.
Pomysł i pierwsza produkcja eksperymentu Michelsona
Amerykański fizyk Albert Michelson zainteresował się problemem eteru po przeczytaniu listu Maxwella, opublikowanego po śmierci Maxwella w 1879 roku, opisującego nieudaną próbę wykrycia ruchu Ziemi w odniesieniu do eteru w czasopiśmie Nature.
W 1881 r. odbył się pierwszy eksperyment Michelsona mający na celu określenie prędkości światła rozchodzącego się w różnych kierunkach względem eteru, obserwatora poruszającego się z Ziemią.
Ziemia, poruszając się po orbicie, musi zostać poddana działaniu tak zwanego wiatru eterycznego - zjawiska podobnego do przepływu powietrza poruszającego się po poruszającym się ciele. Monochromatyczna wiązka światła skierowana równolegle do tego „wiatru” będzie się do niego zbliżać, tracąc nieco prędkość i odwrotnie (odbijając się od lustra) w przeciwnym kierunku. Zmiana prędkości w obu przypadkach jest taka sama, ale osiągana jest w różnym czasie: spowolniona „nadchodząca” wiązka będzie jechać dłużej. Więc sygnał świetlny!emitowane równolegle do „wiatra eteru” będą z konieczności opóźnione w stosunku do sygnału pokonującego tę samą odległość, również z odbiciem od lustra, ale w kierunku prostopadłym.
Do zarejestrowania tego opóźnienia wykorzystano urządzenie wynalezione przez samego Michelsona - interferometr, którego działanie opiera się na zjawisku superpozycji spójnych fal świetlnych. Jeśli jedna z fal byłaby opóźniona, wzorzec interferencji uległby przesunięciu z powodu powstałej różnicy faz.
Pierwszy eksperyment Michelsona z lustrami i interferometrem nie dał jednoznacznego wyniku ze względu na niewystarczającą czułość urządzenia i niedoszacowanie licznych zakłóceń (drgań) i wywołał krytykę. Wymagana była znaczna poprawa dokładności.
Powtarzające się doświadczenie
W 1887 roku naukowiec powtórzył eksperyment wraz ze swoim rodakiem Edwardem Morleyem. Zastosowali zaawansowaną konfigurację i zadbali o wyeliminowanie wpływu czynników pobocznych.
Istota doświadczenia nie uległa zmianie. Wiązka światła zebrana za pomocą soczewki padała na półprzezroczyste zwierciadło ustawione pod kątem 45°. Tutaj podzielił się: jedna wiązka przeszła przez przegrodę, druga poszła w kierunku prostopadłym. Każda z wiązek była następnie odbijana przez zwykłe płaskie lustro, wracała do dzielnika wiązki, a następnie częściowo trafiała w interferometr. Eksperymentatorzy byli pewni istnienia „wiatru eterycznego” i spodziewali się, że uzyskają całkowicie mierzalne przesunięcie o ponad jedną trzecią prążka interferencyjnego.
Nie można było pominąć ruchu Układu Słonecznego w kosmosie, więc pomysł eksperymentu obejmował możliwość obracania instalacji w celu precyzyjnego dostrojenia kierunku „wietnego wiatru”.
Aby uniknąć zakłóceń wibracyjnych i zniekształcenia obrazu podczas obracania urządzenia, cała konstrukcja została umieszczona na masywnej kamiennej płycie z drewnianym toroidalnym pływakiem pływającym w czystej rtęci. Fundament pod instalację został zakopany w skale.
Wyniki eksperymentalne
Naukowcy prowadzili dokładne obserwacje przez cały rok, obracając płytkę za pomocą urządzenia zgodnie z ruchem wskazówek zegara i przeciwnie do ruchu wskazówek zegara. Wzór interferencji zarejestrowano w 16 kierunkach. I pomimo dokładności niespotykanej w jego epoce, eksperyment Michelsona, przeprowadzony we współpracy z Morleyem, dał wynik negatywny.
Fale światła w fazie opuszczające dzielnik wiązki dotarły do mety bez przesunięcia fazowego. Powtarzano to za każdym razem, w dowolnym położeniu interferometru, co oznaczało, że prędkość światła w eksperymencie Michelsona nie zmieniała się w żadnych okolicznościach.
Sprawdzanie wyników eksperymentu odbywało się wielokrotnie, m.in. w XX wieku, przy użyciu interferometrów laserowych i rezonatorów mikrofalowych, osiągając dokładność jednej dziesięciomiliardowej prędkości światła. Wynik doświadczenia pozostaje niezachwiany: ta wartość pozostaje niezmieniona.
Znaczenie eksperymentu
Z eksperymentów Michelsona i Morleya wynika, że „nieziemski wiatr”, a co za tym idzie, ta nieuchwytna materia sama w sobie po prostu nie istnieje. Jeżeli jakikolwiek obiekt fizyczny zasadniczo nie jest wykrywany w żadnym procesie, jest to równoznaczne z jego brakiem. Fizycy, w tym autorzy genialnie zainscenizowanego eksperymentu, nie od razu zdali sobie sprawę z upadku pojęcia eteru, a wraz z nim absolutnego układu odniesienia.
Tylko Albert Einstein w 1905 roku zdołał przedstawić spójne i jednocześnie rewolucyjne nowe wyjaśnienie wyników eksperymentu. Biorąc pod uwagę te wyniki takimi, jakimi są, bez próby wyciągania do nich spekulatywnego eteru, Einstein doszedł do dwóch wniosków:
- Żaden eksperyment optyczny nie jest w stanie wykryć prostoliniowego i jednostajnego ruchu Ziemi (prawo do uznania go za taki daje krótki czas trwania obserwacji).
- W przypadku dowolnego bezwładnościowego układu odniesienia, prędkość światła w próżni pozostaje niezmieniona.
Te wnioski (pierwsze - w połączeniu z Galileuszową zasadą względności) posłużyły za podstawę do sformułowania przez Einsteina jego słynnych postulatów. Tak więc eksperyment Michelsona-Morleya posłużył jako solidna podstawa empiryczna dla szczególnej teorii względności.
