XIX amžiaus antroje pusėje fizinis požiūris į šviesos sklidimo pobūdį, gravitacijos veikimą ir kai kuriuos kitus reiškinius ėmė vis aiškiau susidurti su sunkumais. Jie buvo susiję su moksle vyraujančia eterine koncepcija. Kaip sakoma, sklandė mintis atlikti eksperimentą, kuris išspręstų susikaupusius prieštaravimus.
1880-aisiais buvo atlikta daugybė eksperimentų, labai sudėtingų ir subtilių tiems laikams – Michelsono eksperimentai, skirti ištirti šviesos greičio priklausomybę nuo stebėtojo judėjimo krypties. Prieš pradedant išsamiau aptarti šių garsių eksperimentų aprašymą ir rezultatus, būtina prisiminti, kas buvo eterio sąvoka ir kaip buvo suprantama šviesos fizika.
XIX amžiaus požiūris į pasaulio prigimtį
Šimtmečio pradžioje triumfavo šviesos bangų teorija, gavusi puikių eksperimentųpatvirtinimas Jungo ir Fresnelio darbuose, o vėliau – ir teorinis pagrindimas Maksvelo darbuose. Šviesa absoliučiai neabejotinai demonstravo bangų savybes, o korpuskuliarinė teorija buvo palaidota po krūva faktų, kurių ji negalėjo paaiškinti (ji bus atgaivinta tik XX a. pradžioje visiškai nauju pagrindu).
Tačiau tos eros fizika negalėjo įsivaizduoti bangos sklidimo kitaip, kaip tik per mechaninius terpės virpesius. Jei šviesa yra banga ir ji gali sklisti vakuume, mokslininkams neliko nieko kito, kaip tik manyti, kad vakuumas yra užpildytas tam tikra medžiaga, nes jos vibracijos praleidžia šviesos bangas.
Šviečiantis eteris
Paslaptinga medžiaga, nesvari, nematoma, neregistruota jokiais prietaisais, buvo vadinama eteriu. Michelsono eksperimentas buvo skirtas tik patvirtinti jo sąveikos su kitais fiziniais objektais faktą.
Hipotezes apie eterinės materijos egzistavimą išsakė Dekartas ir Huygensas XVII amžiuje, tačiau ji tapo būtina kaip oras XIX amžiuje ir tuo pačiu lėmė netirpius paradoksus. Faktas yra tas, kad norint egzistuoti apskritai, eteris turėjo turėti vienas kitą paneigiančių arba apskritai fiziškai nerealių savybių.
Eterio koncepcijos prieštaravimai
Kad atitiktų stebimo pasaulio vaizdą, šviečiantis eteris turi būti visiškai nejudantis – kitaip šis vaizdas būtų nuolat iškraipytas. Tačiau jo nejudrumas buvo nesuderinamas su Maksvelo lygtimis ir principuGalilėjos reliatyvumas. Norint juos išsaugoti, reikėjo pripažinti, kad eterį nuneša judantys kūnai.
Be to, buvo manoma, kad eterinė medžiaga yra absoliučiai kieta, ištisinė ir tuo pačiu niekaip netrukdanti kūnams judėti per ją, nesuspaudžiama ir, be to, turinti skersinį elastingumą, kitaip ji neleistų elektromagnetinių bangų. Be to, eteris buvo sumanytas kaip viską persmelkianti medžiaga, kuri vėlgi nelabai dera su jo aistros idėja.
Mišelsono eksperimento idėja ir pirmasis pastatymas
Amerikos fizikas Albertas Michelsonas susidomėjo eterio problema, kai perskaitė Maxwello laišką, paskelbtą po Maksvelo mirties 1879 m., kuriame aprašomas nesėkmingas bandymas aptikti Žemės judėjimą eterio atžvilgiu žurnale Nature.
1881 m. buvo atliktas pirmasis Michelsono eksperimentas, siekiant nustatyti skirtingomis kryptimis sklindančios šviesos greitį eterio, stebėtojo, judančio kartu su Žeme, atžvilgiu.
Žemė, judanti orbita, turi būti veikiama vadinamojo eterinio vėjo – reiškinio, panašaus į oro srautą, bėgantį ant judančio kūno. Vienspalvis šviesos spindulys, nukreiptas lygiagrečiai šiam „vėjui“, judės link jo, šiek tiek praras greitį ir atvirkščiai (atspindėdamas nuo veidrodžio) priešinga kryptimi. Greičio pokytis abiem atvejais yra vienodas, tačiau jis pasiekiamas skirtingu laiku: sulėtėjęs „priešpriešinis“spindulys keliaus ilgiau. Taigi šviesos signalasskleidžiamas lygiagrečiai "eterio vėjui" būtinai bus uždelstas, palyginti su signalu, sklindančiu tuo pačiu atstumu, taip pat su atspindžiu nuo veidrodžio, bet statmena kryptimi.
Šiam delsimui užregistruoti buvo panaudotas paties Michelsono išrastas prietaisas – interferometras, kurio veikimas pagrįstas koherentinių šviesos bangų superpozicijos reiškiniu. Jei viena iš bangų būtų uždelsta, trukdžių modelis pasislinktų dėl susidariusio fazių skirtumo.
Pirmasis Michelsono eksperimentas su veidrodžiais ir interferometru nedavė vienareikšmio rezultato dėl nepakankamo prietaiso jautrumo ir daugybės trukdžių (vibracijų) neįvertinimo ir sukėlė kritikos. Reikėjo žymiai pagerinti tikslumą.
Pakartotinė patirtis
1887 m. mokslininkas pakartojo eksperimentą kartu su savo tautiečiu Edwardu Morley. Jie naudojo išplėstinę sąranką ir ypač stengėsi pašalinti šalutinių veiksnių įtaką.
Patyrimo esmė nepasikeitė. Lęšiu surinktas šviesos spindulys krito ant pusiau permatomo veidrodžio, nustatyto 45° kampu. Čia jis dalijo: vienas spindulys prasiskverbė per pertvarą, antrasis ėjo statmena kryptimi. Tada kiekvienas spindulys buvo atspindėtas įprastame plokščiame veidrodyje, grąžintas į pluošto skirstytuvą ir iš dalies pataikė į interferometrą. Eksperimentuotojai buvo įsitikinę, kad egzistuoja „eterinis vėjas“, ir tikėjosi, kad jie pasieks visiškai išmatuojamą daugiau nei trečdalį trukdžių pakraščio.
Nebuvo įmanoma nepaisyti Saulės sistemos judėjimo erdvėje, todėl eksperimento idėja apėmė galimybę pasukti instaliaciją, kad būtų galima tiksliai sureguliuoti „eterinio vėjo“kryptį.
Siekiant išvengti vibracijos trukdžių ir vaizdo iškraipymo sukant įrenginį, visa konstrukcija buvo pastatyta ant masyvios akmens plokštės su medine toroidine plūde, plaukiančia gryname gyvsidabrie. Pamatai po instaliacija buvo palaidoti prie uolos.
Eksperimentiniai rezultatai
Mokslininkai atidžiai stebėjo visus metus, sukdami plokštę su prietaisu pagal laikrodžio rodyklę ir prieš laikrodžio rodyklę. Trikdžių modelis buvo užfiksuotas 16 krypčių. Ir, nepaisant precedento neturinčio tikslumo jo erai, Michelsono eksperimentas, atliktas bendradarbiaujant su Morley, davė neigiamą rezultatą.
Fazės šviesos bangos, paliekančios pluošto skirstytuvą, pasiekė finišo liniją be fazės poslinkio. Tai kartojosi kiekvieną kartą bet kurioje interferometro padėtyje ir reiškė, kad Michelsono eksperimento šviesos greitis nepasikeitė jokiomis aplinkybėmis.
Eksperimento rezultatai buvo tikrinami ne kartą, taip pat ir XX amžiuje, naudojant lazerinius interferometrus ir mikrobangų rezonatorius, kurių tikslumas yra dešimt milijardų šviesos greičio. Patirties rezultatas išlieka nepajudinamas: ši vertė nesikeičia.
Eksperimento prasmė
Iš Michelsono ir Morley eksperimentų išplaukia, kad „eterinis vėjas“, taigi ir ši sunkiai suvokiama medžiaga, tiesiog neegzistuoja. Jei koks nors fizinis objektas iš esmės neaptinkamas jokiuose procesuose, tai prilygsta jo nebuvimui. Fizikai, įskaitant puikiai surežisuoto eksperimento autorius, ne iš karto suprato eterio sampratos, o kartu ir absoliučios atskaitos sistemos, žlugimą.
Tik Albertui Einšteinui 1905 m. pavyko pateikti nuoseklų ir kartu revoliucinį naują eksperimento rezultatų paaiškinimą. Atsižvelgdamas į šiuos rezultatus tokius, kokie jie yra, nebandydamas pritraukti prie jų spekuliacinio eterio, Einšteinas padarė dvi išvadas:
- Joks optinis eksperimentas negali aptikti tiesinio ir vienodo Žemės judėjimo (teisė jį laikyti tokiu suteikia trumpa stebėjimo trukmė).
- Kalbant apie bet kokią inercinę atskaitos sistemą, šviesos greitis vakuume nesikeičia.
Šios išvados (pirmoji – kartu su Galilėjaus reliatyvumo principu) buvo pagrindas Einšteinui suformuluoti savo garsiuosius postulatus. Taigi Michelson-Morley eksperimentas buvo tvirtas empirinis pagrindas specialiajai reliatyvumo teorijai.
