Στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, οι φυσικές απόψεις για τη φύση της διάδοσης του φωτός, τη δράση της βαρύτητας και ορισμένα άλλα φαινόμενα άρχισαν όλο και πιο ξεκάθαρα να αντιμετωπίζουν δυσκολίες. Συνδέθηκαν με την αιθέρια έννοια που κυριαρχεί στην επιστήμη. Η ιδέα της διεξαγωγής ενός πειράματος που θα έλυνε τις συσσωρευμένες αντιφάσεις, όπως λένε, ήταν στον αέρα.
Στη δεκαετία του 1880, δημιουργήθηκε μια σειρά από πειράματα, πολύ περίπλοκα και λεπτά για εκείνη την εποχή - τα πειράματα του Michelson για τη μελέτη της εξάρτησης της ταχύτητας του φωτός από την κατεύθυνση κίνησης του παρατηρητή. Προτού σταθούμε λεπτομερέστερα στην περιγραφή και τα αποτελέσματα αυτών των διάσημων πειραμάτων, είναι απαραίτητο να θυμηθούμε ποια ήταν η έννοια του αιθέρα και πώς έγινε κατανοητή η φυσική του φωτός.
Απόψεις του 19ου αιώνα για τη φύση του κόσμου
Στις αρχές του αιώνα, η κυματική θεωρία του φωτός θριάμβευσε, λαμβάνοντας λαμπρά πειραματικάεπιβεβαίωση στα έργα των Jung και Fresnel, και αργότερα - και θεωρητική αιτιολόγηση στο έργο του Maxwell. Το φως εμφάνιζε απολύτως αναμφισβήτητα ιδιότητες κυμάτων και η σωματιδιακή θεωρία θάφτηκε κάτω από ένα σωρό γεγονότων που δεν μπορούσε να εξηγήσει (θα αναβιώσει μόνο στις αρχές του 20ου αιώνα σε μια εντελώς νέα βάση).
Ωστόσο, η φυσική εκείνης της εποχής δεν μπορούσε να φανταστεί τη διάδοση ενός κύματος διαφορετικά από τις μηχανικές δονήσεις ενός μέσου. Εάν το φως είναι κύμα και μπορεί να διαδοθεί στο κενό, τότε οι επιστήμονες δεν είχαν άλλη επιλογή παρά να υποθέσουν ότι το κενό είναι γεμάτο με μια συγκεκριμένη ουσία, λόγω των κραδασμών του που αγώγουν φωτεινά κύματα.
Φωτεινός Αιθέρας
Η μυστηριώδης ουσία, αβαρής, αόρατη, μη καταχωρημένη από καμία συσκευή, ονομαζόταν αιθέρας. Το πείραμα του Michelson σχεδιάστηκε απλώς για να επιβεβαιώσει το γεγονός της αλληλεπίδρασής του με άλλα φυσικά αντικείμενα.
Υποθέσεις για την ύπαρξη αιθερικής ύλης εκφράστηκαν από τον Descartes και τον Huygens τον 17ο αιώνα, αλλά έγινε απαραίτητος ως αέρας τον 19ο αιώνα, και ταυτόχρονα οδήγησε σε αδιάλυτα παράδοξα. Γεγονός είναι ότι για να υπάρχει γενικά, ο αιθέρας έπρεπε να έχει αμοιβαία αποκλειστικές ή, γενικά, φυσικά εξωπραγματικές ιδιότητες.
Αιθέρες αντιφάσεις έννοιας
Για να ταιριάζει με την εικόνα του παρατηρούμενου κόσμου, ο φωτεινός αιθέρας πρέπει να είναι απολύτως ακίνητος - διαφορετικά αυτή η εικόνα θα παραμορφωνόταν συνεχώς. Όμως η ακινησία του βρισκόταν σε ασυμβίβαστη σύγκρουση με τις εξισώσεις και την αρχή του ΜάξγουελΓαλιλαία σχετικότητα. Για χάρη της διατήρησής τους, ήταν απαραίτητο να παραδεχτούμε ότι ο αιθέρας παρασύρεται από κινούμενα σώματα.
Εξάλλου, η αιθερική ύλη θεωρήθηκε ότι είναι απολύτως στερεή, συνεχής και ταυτόχρονα δεν εμποδίζει καθόλου την κίνηση των σωμάτων μέσα από αυτήν, ασυμπίεστη και, επιπλέον, έχει εγκάρσια ελαστικότητα, διαφορετικά δεν θα άγγιζε ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Επιπλέον, ο αιθέρας είχε συλληφθεί ως μια ουσία που διαπερνά τα πάντα, η οποία, πάλι, δεν ταιριάζει καλά με την ιδέα του πάθους του.
Η ιδέα και η πρώτη παραγωγή του πειράματος του Michelson
Ο Αμερικανός φυσικός Άλμπερτ Μίχελσον ενδιαφέρθηκε για το πρόβλημα του αιθέρα αφού διάβασε την επιστολή του Μάξγουελ, που δημοσιεύτηκε μετά τον θάνατο του Μάξγουελ το 1879, που περιγράφει μια ανεπιτυχή προσπάθεια ανίχνευσης της κίνησης της Γης σε σχέση με τον αιθέρα στο περιοδικό Nature..
Το 1881, πραγματοποιήθηκε το πρώτο πείραμα του Michelson για τον προσδιορισμό της ταχύτητας του φωτός που διαδίδεται σε διαφορετικές κατευθύνσεις σε σχέση με τον αιθέρα, έναν παρατηρητή που κινείται με τη Γη.
Η Γη, που κινείται σε τροχιά, πρέπει να υποβληθεί στη δράση του λεγόμενου αιθέριου ανέμου - ένα φαινόμενο παρόμοιο με τη ροή του αέρα που τρέχει σε ένα κινούμενο σώμα. Μια μονόχρωμη δέσμη φωτός που κατευθύνεται παράλληλα με αυτόν τον «άνεμο» θα κινηθεί προς αυτόν, χάνοντας λίγο ταχύτητα και αντίστροφα (αντανακλώντας από τον καθρέφτη) προς την αντίθετη κατεύθυνση. Η αλλαγή της ταχύτητας και στις δύο περιπτώσεις είναι η ίδια, αλλά επιτυγχάνεται σε διαφορετικούς χρόνους: η επιβραδυνθείσα «ερχόμενη» δέσμη θα χρειαστεί περισσότερο χρόνο για να ταξιδέψει. Το φωτεινό σήμα λοιπόνπου εκπέμπεται παράλληλα με τον "αιθερικό άνεμο" θα καθυστερήσει αναγκαστικά σε σχέση με ένα σήμα που διανύει την ίδια απόσταση, επίσης με ανάκλαση από τον καθρέφτη, αλλά σε κάθετη κατεύθυνση.
Για να καταγραφεί αυτή η καθυστέρηση, χρησιμοποιήθηκε μια συσκευή που εφευρέθηκε από τον ίδιο τον Michelson - ένα συμβολόμετρο, του οποίου η λειτουργία βασίζεται στο φαινόμενο της υπέρθεσης συνεκτικών κυμάτων φωτός. Εάν ένα από τα κύματα καθυστερούσε, το μοτίβο παρεμβολής θα μετατοπιζόταν λόγω της προκύπτουσας διαφοράς φάσης.
Το πρώτο πείραμα του Michelson με καθρέφτες και συμβολόμετρο δεν έδωσε σαφές αποτέλεσμα λόγω ανεπαρκούς ευαισθησίας της συσκευής και υποτίμησης πολλών παρεμβολών (δονήσεων) και προκάλεσε κριτική. Απαιτήθηκε σημαντική βελτίωση στην ακρίβεια.
Επαναλαμβανόμενη εμπειρία
Το 1887, ο επιστήμονας επανέλαβε το πείραμα μαζί με τον συμπατριώτη του Edward Morley. Χρησιμοποίησαν μια προηγμένη ρύθμιση και φρόντισαν ιδιαίτερα να εξαλείψουν την επίδραση των παραγόντων.
Η ουσία της εμπειρίας δεν έχει αλλάξει. Η δέσμη φωτός που συλλέγεται μέσω ενός φακού προσπίπτει σε ένα ημιδιαφανές κάτοπτρο που έχει ρυθμιστεί υπό γωνία 45°. Εδώ χώρισε: μια δέσμη διείσδυσε μέσα από το διαχωριστικό, η δεύτερη πήγε σε κάθετη κατεύθυνση. Καθεμία από τις δέσμες στη συνέχεια αντανακλάται από έναν συνηθισμένο επίπεδο καθρέφτη, επέστρεψε στον διαχωριστή δέσμης και στη συνέχεια χτύπησε εν μέρει το συμβολόμετρο. Οι πειραματιστές ήταν βέβαιοι για την ύπαρξη ενός «αιθερικού ανέμου» και περίμεναν να λάβουν μια εντελώς μετρήσιμη μετατόπιση μεγαλύτερη από το ένα τρίτο του περιθωρίου παρεμβολής.
Ήταν αδύνατο να παραμεληθεί η κίνηση του ηλιακού συστήματος στο διάστημα, έτσι η ιδέα του πειράματος περιελάμβανε τη δυνατότητα περιστροφής της εγκατάστασης προκειμένου να ρυθμιστεί με ακρίβεια η κατεύθυνση του «αιθερικού ανέμου».
Για να αποφευχθεί η παρεμβολή κραδασμών και η παραμόρφωση της εικόνας κατά την περιστροφή της συσκευής, ολόκληρη η κατασκευή τοποθετήθηκε σε μια τεράστια πέτρινη πλάκα με έναν ξύλινο δακτυλιοειδές πλωτήρα που επιπλέει σε καθαρό υδράργυρο. Το θεμέλιο κάτω από την εγκατάσταση θάφτηκε στον βράχο.
Πειραματικά αποτελέσματα
Επιστήμονες διεξήγαγαν προσεκτικές παρατηρήσεις καθ' όλη τη διάρκεια του έτους, περιστρέφοντας την πλάκα με τη συσκευή δεξιόστροφα και αριστερόστροφα. Το μοτίβο παρεμβολής καταγράφηκε σε 16 κατευθύνσεις. Και, παρά την πρωτοφανή για την εποχή του ακρίβεια, το πείραμα του Michelson, που πραγματοποιήθηκε σε συνεργασία με τον Morley, έδωσε αρνητικό αποτέλεσμα.
Κύματα φωτός εντός φάσης που εγκαταλείπουν τον διαχωριστή δέσμης έφτασαν στη γραμμή τερματισμού χωρίς μετατόπιση φάσης. Αυτό επαναλαμβανόταν κάθε φορά, σε οποιαδήποτε θέση του συμβολόμετρου, και σήμαινε ότι η ταχύτητα του φωτός στο πείραμα του Michelson δεν άλλαξε σε καμία περίπτωση.
Ο έλεγχος των αποτελεσμάτων του πειράματος πραγματοποιήθηκε επανειλημμένα, συμπεριλαμβανομένου του 20ου αιώνα, με χρήση συμβολόμετρων λέιζερ και συντονιστών μικροκυμάτων, φτάνοντας σε ακρίβεια το ένα δέκατο δισεκατομμυριοστό της ταχύτητας του φωτός. Το αποτέλεσμα της εμπειρίας παραμένει ακλόνητο: αυτή η τιμή παραμένει αμετάβλητη.
Το νόημα του πειράματος
Από τα πειράματα των Michelson και Morley προκύπτει ότι ο «αιθερικός άνεμος» και, κατά συνέπεια, αυτή η ίδια η άπιαστη ύλη απλώς δεν υπάρχει. Εάν κάποιο φυσικό αντικείμενο ουσιαστικά δεν ανιχνεύεται σε καμία διαδικασία, αυτό ισοδυναμεί με την απουσία του. Οι φυσικοί, συμπεριλαμβανομένων των συντακτών του πειράματος με έξοχη σκηνοθεσία, δεν συνειδητοποίησαν αμέσως την κατάρρευση της έννοιας του αιθέρα, και μαζί της το απόλυτο πλαίσιο αναφοράς.
Μόνο ο Άλμπερτ Αϊνστάιν το 1905 κατάφερε να παρουσιάσει μια συνεπή και ταυτόχρονα επαναστατική νέα εξήγηση των αποτελεσμάτων του πειράματος. Θεωρώντας αυτά τα αποτελέσματα ως έχουν, χωρίς να προσπαθήσει να αντλήσει κερδοσκοπικό αιθέρα σε αυτά, ο Αϊνστάιν κατέληξε σε δύο συμπεράσματα:
- Κανένα οπτικό πείραμα δεν μπορεί να ανιχνεύσει την ευθύγραμμη και ομοιόμορφη κίνηση της Γης (το δικαίωμα να θεωρηθεί ως τέτοια δίνεται από τη σύντομη διάρκεια της πράξης παρατήρησης).
- Όσον αφορά οποιοδήποτε αδρανειακό πλαίσιο αναφοράς, η ταχύτητα του φωτός στο κενό παραμένει αμετάβλητη.
Αυτά τα συμπεράσματα (το πρώτο - σε συνδυασμό με την αρχή του Γαλιλαίου της σχετικότητας) χρησίμευσαν ως βάση για τη διατύπωση του Αϊνστάιν των διάσημων αξιωμάτων του. Έτσι το πείραμα Michelson-Morley χρησίμευσε ως μια σταθερή εμπειρική βάση για την ειδική θεωρία της σχετικότητας.
