U drugoj polovici 19. stoljeća fizički pogledi na prirodu širenja svjetlosti, djelovanje gravitacije i neke druge pojave sve jasnije počinju nailaziti na poteškoće. Bili su povezani s eteričnim konceptom koji je dominirao u znanosti. Ideja o provođenju eksperimenta koji bi razriješio nagomilane proturječnosti, kako kažu, bila je u zraku.
U 1880-ima postavljen je niz eksperimenata, vrlo složenih i suptilnih za ono vrijeme - Michelsonovi eksperimenti za proučavanje ovisnosti brzine svjetlosti o smjeru kretanja promatrača. Prije nego što se detaljnije zadržimo na opisu i rezultatima ovih poznatih eksperimenata, potrebno je prisjetiti se što je bio pojam etera i kako se shvaćala fizika svjetlosti.
Pogledi iz 19. stoljeća na prirodu svijeta
Početkom stoljeća, valna teorija svjetlosti je trijumfirala, dobivši briljantne eksperimentalnepotvrda u djelima Junga i Fresnela, a kasnije - i teorijsko opravdanje u djelu Maxwella. Svjetlost je apsolutno nedvojbeno pokazivala valna svojstva, a korpuskularna teorija bila je zakopana pod gomilom činjenica koje nije mogla objasniti (oživjela bi tek početkom 20. stoljeća na potpuno novoj osnovi).
Međutim, fizika tog doba nije mogla zamisliti širenje vala drugačije nego kroz mehaničke vibracije medija. Ako je svjetlost val i može se širiti u vakuumu, onda znanstvenici nisu imali izbora nego pretpostaviti da je vakuum ispunjen određenom tvari, zbog svojih vibracija koje provode svjetlosne valove.
Svjetleći eter
Tajanstvena tvar, bestežinska, nevidljiva, nije registrirana nikakvim uređajima, zvala se eter. Michelsonov eksperiment je upravo osmišljen da potvrdi činjenicu njegove interakcije s drugim fizičkim objektima.
Hipoteze o postojanju eterične materije iznijeli su Descartes i Huygens u 17. stoljeću, ali je ona postala neophodna kao zrak u 19. stoljeću, a ujedno je dovela do nerješivih paradoksa. Činjenica je da je eter, da bi postojao općenito, morao imati međusobno isključive ili, općenito, fizički nestvarne kvalitete.
kontradikcije koncepta etera
Da bi odgovarao slici promatranog svijeta, svjetleći eter mora biti apsolutno nepomičan - inače bi ova slika bila stalno iskrivljena. Ali njegova nepokretnost bila je u nepomirljivom sukobu s Maxwellovim jednadžbama i principomGalilejeva relativnost. Radi njihovog očuvanja bilo je potrebno priznati da eter odnose tijela koja se kreću.
Osim toga, smatralo se da je eterična materija apsolutno čvrsta, kontinuirana i da u isto vrijeme ni na koji način ne ometa kretanje tijela kroz nju, nestlačiva i, štoviše, posjeduje poprečnu elastičnost, inače ne bi provodila elektromagnetske valove. Osim toga, eter je zamišljen kao sveprožimajuća tvar, koja se, opet, ne uklapa dobro s idejom njegove strasti.
Ideja i prva produkcija Michelsonovog eksperimenta
Američki fizičar Albert Michelson zainteresirao se za problem etera nakon što je pročitao Maxwellovo pismo, objavljeno nakon Maxwellove smrti 1879. godine, u kojem je u časopisu Nature opisan neuspješan pokušaj otkrivanja kretanja Zemlje u odnosu na eter..
Godine 1881. dogodio se prvi Michelsonov eksperiment za određivanje brzine svjetlosti koja se širi u različitim smjerovima u odnosu na eter, promatrača koji se kreće sa Zemljom.
Zemlja, koja se kreće u orbiti, mora biti podvrgnuta djelovanju takozvanog eteričnog vjetra - fenomenu sličnom strujanju zraka koji teče na tijelo koje se kreće. Jednobojna svjetlosna zraka usmjerena paralelno s ovim "vjetrom" kretat će se prema njemu, gubeći malo u brzini, i obrnuto (reflektirajući se od zrcala) u suprotnom smjeru. Promjena brzine u oba slučaja je ista, ali se postiže u različitim vremenima: usporenom "nadolazećem" snopu trebat će dulje putovanje. Dakle svjetlosni signalemitirano paralelno s "eterskim vjetrom" nužno će biti odgođeno u odnosu na signal koji putuje na istoj udaljenosti, također s refleksijom od zrcala, ali u okomitom smjeru.
Za registriranje ovog kašnjenja korišten je uređaj koji je izumio sam Michelson - interferometar, čiji se rad temelji na fenomenu superpozicije koherentnih svjetlosnih valova. Ako je jedan od valova odgođen, interferencijski uzorak bi se pomaknuo zbog rezultirajuće razlike u fazama.
Michelsonov prvi eksperiment sa zrcalima i interferometrom nije dao jednoznačan rezultat zbog nedovoljne osjetljivosti uređaja i podcjenjivanja brojnih smetnji (vibracija) te je izazvao kritike. Bilo je potrebno značajno poboljšanje točnosti.
Ponovljeno iskustvo
Godine 1887. znanstvenik je ponovio eksperiment zajedno sa svojim sunarodnjakom Edwardom Morleyjem. Koristili su naprednu postavku i posebno su vodili računa o uklanjanju utjecaja sporednih čimbenika.
Suština iskustva se nije promijenila. Svjetlosni snop prikupljen pomoću leće padao je na poluprozirno zrcalo postavljeno pod kutom od 45°. Ovdje je podijelio: jedna je zraka probila kroz razdjelnik, druga je išla u okomitom smjeru. Svaki od snopova se zatim reflektirao od običnog ravnog zrcala, vratio u razdjelnik snopa, a zatim djelomično pogodio interferometar. Eksperimentatori su bili uvjereni u postojanje "eteričnog vjetra" i očekivali su da će dobiti potpuno mjerljiv pomak od više od trećine interferentnog ruba.
Bilo je nemoguće zanemariti kretanje Sunčevog sustava u svemiru, pa je ideja eksperimenta uključivala mogućnost rotacije instalacije kako bi se fino podesio smjer "eteričnog vjetra".
Kako bi se izbjegle vibracijske smetnje i izobličenje slike prilikom okretanja uređaja, cijela konstrukcija je postavljena na masivnu kamenu ploču s drvenim toroidnim plovkom koji pluta u čistoj živi. Temelj ispod instalacije bio je ukopan u stijenu.
Eksperimentalni rezultati
Znanstvenici su provodili pomna promatranja tijekom cijele godine, rotirajući ploču s uređajem u smjeru kazaljke na satu i suprotno od kazaljke na satu. Uzorak interferencije snimljen je u 16 smjerova. I, unatoč točnosti bez presedana za njegovo doba, Michelsonov eksperiment, proveden u suradnji s Morleyem, dao je negativan rezultat.
Svjetlosni valovi u fazi koji napuštaju razdjelnik snopa stigli su do cilja bez faznog pomaka. To se ponavljalo svaki put, na bilo kojoj poziciji interferometra, što je značilo da se brzina svjetlosti u Michelsonovom eksperimentu nije promijenila ni pod kojim okolnostima.
Provjera rezultata eksperimenta provedena je više puta, uključujući i XX. stoljeće, pomoću laserskih interferometara i mikrovalnih rezonatora, postižući točnost od jedne desetmilijardine brzine svjetlosti. Rezultat iskustva ostaje nepokolebljiv: ova vrijednost je nepromijenjena.
Značenje eksperimenta
Iz eksperimenata Michelsona i Morleyja proizlazi da "eterični vjetar", a samim tim i ova neuhvatljiva materija jednostavno ne postoji. Ako bilo koji fizički objekt u osnovi nije otkriven ni u jednom procesu, to je jednako njegovoj odsutnosti. Fizičari, uključujući i autore briljantno postavljenog eksperimenta, nisu odmah shvatili kolaps koncepta etera, a s njim i apsolutnog referentnog okvira.
Samo je Albert Einstein 1905. uspio predstaviti dosljedno i ujedno revolucionarno novo objašnjenje rezultata eksperimenta. Uzimajući u obzir ove rezultate onakvima kakvi jesu, bez pokušaja da im privuče spekulativni eter, Einstein je došao do dva zaključka:
- Nijedan optički eksperiment ne može otkriti pravocrtno i jednoliko gibanje Zemlje (pravo da ga se smatra takvim daje kratko trajanje čina promatranja).
- S obzirom na bilo koji inercijski referentni okvir, brzina svjetlosti u vakuumu je nepromijenjena.
Ovi zaključci (prvi - u kombinaciji s Galilejevim principom relativnosti) poslužili su kao osnova za Einsteinovu formulaciju njegovih poznatih postulata. Tako je Michelson-Morleyev eksperiment poslužio kao čvrsta empirijska osnova za specijalnu teoriju relativnosti.
