Under andra hälften av 1800-talet började fysiska åsikter om naturen av ljusets utbredning, gravitationens verkan och några andra fenomen allt tydligare stöta på svårigheter. De var kopplade till det eteriska konceptet som dominerade inom vetenskapen. Tanken på att genomföra ett experiment som skulle lösa de ackumulerade motsägelserna, som man säger, låg i luften.
På 1880-talet sattes en serie experiment upp, mycket komplexa och subtila för den tiden - Michelsons experiment för att studera ljusets hastighets beroende av betraktarens rörelseriktning. Innan vi uppehåller oss mer i detalj vid beskrivningen och resultaten av dessa berömda experiment är det nödvändigt att komma ihåg vad begreppet eter var och hur ljusets fysik förstods.
1800-talets syn på världens natur
I början av århundradet triumferade vågteorin om ljus och fick lysande experimentbekräftelse i verk av Jung och Fresnel, och senare - och teoretisk motivering i verk av Maxwell. Ljus uppvisade onekligen vågegenskaper, och den korpuskulära teorin låg begravd under en hög med fakta som den inte kunde förklara (den skulle återupplivas först i början av 1900-talet på en helt ny grund).
Fysiken från den eran kunde dock inte föreställa sig en vågs utbredning på annat sätt än genom de mekaniska vibrationerna i ett medium. Om ljus är en våg, och det kan fortplanta sig i ett vakuum, hade forskarna inget annat val än att anta att vakuumet är fyllt med ett visst ämne, på grund av dess vibrationer som leder ljusvågor.
Luminous Aether
Den mystiska substansen, viktlös, osynlig, inte registrerad av några enheter, kallades eter. Michelsons experiment var bara utformat för att bekräfta det faktum att det interagerar med andra fysiska objekt.
Hypoteser om existensen av eterisk materia uttrycktes av Descartes och Huygens på 1600-talet, men det blev nödvändigt som luft på 1800-talet och ledde samtidigt till olösliga paradoxer. Faktum är att för att existera i allmänhet måste etern ha ömsesidigt uteslutande eller i allmänhet fysiskt overkliga egenskaper.
Ether-konceptmotsägelser
För att matcha bilden av den observerade världen måste den lysande etern vara absolut orörlig - annars skulle den här bilden ständigt förvrängas. Men hans orörlighet stod i oförsonlig konflikt med Maxwells ekvationer och principenGalileisk relativitet. För deras bevarandes skull var det nödvändigt att erkänna att etern förs bort av rörliga kroppar.
Dessutom ansågs eterisk materia vara absolut fast, kontinuerlig och samtidigt inte på något sätt hindra kropparnas rörelse genom den, inkompressibel och dessutom ha tvärelasticitet, annars skulle den inte leda elektromagnetiska vågor. Dessutom var etern tänkt som en alltigenomträngande substans, vilket återigen inte passar bra med tanken på hans passion.
Idén och den första produktionen av Michelsons experiment
Den amerikanske fysikern Albert Michelson blev intresserad av eterproblemet efter att ha läst Maxwells brev, publicerat efter Maxwells död 1879, som beskrev ett misslyckat försök att upptäcka jordens rörelse med avseende på etern i tidskriften Nature.
År 1881 ägde Michelsons första experiment rum för att bestämma ljusets hastighet som fortplantade sig i olika riktningar i förhållande till etern, en observatör som rörde sig med jorden.
Jorden, som rör sig i omloppsbana, måste utsättas för verkan av den så kallade etervinden - ett fenomen som liknar luftflödet som löper på en rörlig kropp. En monokromatisk ljusstråle riktad parallellt med denna "vind" kommer att röra sig mot den, tappa lite i hastighet och vice versa (reflekterar från spegeln) i motsatt riktning. Hastighetsförändringen i båda fallen är densamma, men den uppnås vid olika tidpunkter: den saktade "mötande" strålen kommer att ta längre tid att resa. Alltså ljussignalensom sänds ut parallellt med "etervinden" kommer nödvändigtvis att fördröjas i förhållande till en signal som färdas samma sträcka, även med reflektion från spegeln, men i vinkelrät riktning.
För att registrera denna fördröjning användes en anordning som uppfanns av Michelson själv - en interferometer, vars funktion är baserad på fenomenet superposition av koherenta ljusvågor. Om en av vågorna fördröjdes skulle interferensmönstret förskjutas på grund av den resulterande fasskillnaden.
Michelsons första experiment med speglar och en interferometer gav inte ett entydigt resultat på grund av otillräcklig känslighet hos enheten och underskattning av många störningar (vibrationer) och orsakade kritik. Betydande förbättring av noggrannheten krävdes.
Upprepad upplevelse
År 1887 upprepade vetenskapsmannen experimentet tillsammans med sin landsman Edward Morley. De använde en avancerad inställning och var särskilt noga med att eliminera påverkan av sidofaktorer.
Käran i upplevelsen har inte förändrats. Ljusstrålen som samlades upp med hjälp av en lins inföll på en halvtransparent spegel inställd i en vinkel av 45°. Här delade han: den ena strålen trängde genom avdelaren, den andra gick i vinkelrät riktning. Var och en av strålarna reflekterades sedan av en vanlig platt spegel, återfördes till stråldelaren och träffade sedan delvis interferometern. Försöksledarna var säkra på att det fanns en "eterisk vind" och förväntade sig att få en helt mätbar förskjutning på mer än en tredjedel av interferenskanten.
Det var omöjligt att försumma solsystemets rörelse i rymden, så idén med experimentet inkluderade möjligheten att rotera installationen för att finjustera riktningen för den "eteriska vinden".
För att undvika vibrationsstörningar och förvrängning av bilden vid vridning av enheten placerades hela strukturen på en massiv stenplatta med en trätoroidformad flottör flytande i rent kvicksilver. Grunden under installationen grävdes ner till berget.
Experimentella resultat
Forskare gjorde noggranna observationer under hela året och roterade plattan med enheten medurs och moturs. Interferensmönstret registrerades i 16 riktningar. Och trots den noggrannhet som aldrig tidigare skådats för hans tid, gav Michelsons experiment, utfört i samarbete med Morley, ett negativt resultat.
I-fas ljusvågor som lämnar stråldelaren nådde mållinjen utan fasförskjutning. Detta upprepades varje gång, var som helst på interferometern, och innebar att ljusets hastighet i Michelsons experiment inte under några omständigheter förändrades.
Kontroll av resultaten av experimentet utfördes upprepade gånger, inklusive under XX-talet, med laserinterferometrar och mikrovågsresonatorer, och nådde en noggrannhet på en tio miljarddel av ljusets hastighet. Resultatet av upplevelsen förblir orubbligt: detta värde är oförändrat.
Meningen med experimentet
Av Michelsons och Morleys experiment följer att den "eteriska vinden" och följaktligen denna svårfångade materia i sig helt enkelt inte existerar. Om något fysiskt föremål i grunden inte upptäcks i några processer är det liktydigt med dess frånvaro. Fysiker, inklusive författarna till det briljant iscensatta experimentet, insåg inte omedelbart kollapsen av begreppet eter, och med det den absoluta referensramen.
Endast Albert Einstein 1905 lyckades presentera en konsekvent och samtidigt revolutionerande ny förklaring av experimentets resultat. Med tanke på dessa resultat som de är, utan att försöka dra spekulativ eter till dem, kom Einstein fram till två slutsatser:
- Inget optiskt experiment kan upptäcka jordens rätlinjiga och enhetliga rörelse (rätten att betrakta den som sådan ges av den korta varaktigheten av observationshandlingen).
- När det gäller en tröghetsreferensram är ljusets hastighet i vakuum oförändrad.
Dessa slutsatser (den första - i kombination med den galileiska relativitetsprincipen) tjänade som grunden för Einsteins formulering av sina berömda postulat. Så Michelson-Morley-experimentet fungerade som en solid empirisk grund för den speciella relativitetsteorin.
