I anden halvdel af det 19. århundrede begyndte fysiske syn på arten af lysets udbredelse, tyngdekraftens virkning og nogle andre fænomener mere og tydeligere at støde på vanskeligheder. De var forbundet med det æteriske koncept, der dominerede i videnskaben. Ideen om at udføre et eksperiment, der ville løse de akkumulerede modsætninger, som man siger, lå i luften.
I 1880'erne blev der opstillet en række eksperimenter, meget komplekse og subtile for de tider - Michelsons eksperimenter for at studere lyshastighedens afhængighed af observatørens bevægelsesretning. Før vi dvæler mere detaljeret ved beskrivelsen og resultaterne af disse berømte eksperimenter, er det nødvendigt at huske, hvad begrebet æter var, og hvordan lysets fysik blev forstået.
19. århundredes syn på verdens natur
I begyndelsen af århundredet sejrede bølgeteorien om lys og modtog strålende eksperimentelbekræftelse i værker af Jung og Fresnel, og senere - og teoretisk begrundelse i værker af Maxwell. Lys udviste absolut unægtelig bølgeegenskaber, og den korpuskulære teori blev begravet under en bunke fakta, som den ikke kunne forklare (den ville først blive genoplivet i begyndelsen af det 20. århundrede på et helt nyt grundlag).
Den tids fysik kunne imidlertid ikke forestille sig udbredelsen af en bølge på anden måde end gennem et mediums mekaniske vibrationer. Hvis lys er en bølge, og det er i stand til at forplante sig i et vakuum, så havde forskerne intet andet valg end at antage, at vakuumet er fyldt med et bestemt stof på grund af dets vibrationer, der leder lysbølger.
Luminous Aether
Det mystiske stof, vægtløst, usynligt, ikke registreret af nogen enheder, blev kaldt ether. Michelsons eksperiment var netop designet til at bekræfte dets interaktion med andre fysiske objekter.
Hypoteser om eksistensen af æterisk stof blev udtrykt af Descartes og Huygens i det 17. århundrede, men det blev nødvendigt som luft i det 19. århundrede, og førte samtidig til uopløselige paradokser. Faktum er, at for at eksistere i almindelighed, skulle æteren have gensidigt udelukkende eller i det hele taget fysisk uvirkelige kvaliteter.
Ether-konceptmodsigelser
For at matche billedet af den observerede verden skal den lysende æter være absolut ubevægelig - ellers ville dette billede konstant blive forvrænget. Men hans ubevægelighed var i uforsonlig konflikt med Maxwells ligninger og princippetGalilæisk relativitet. Af hensyn til deres bevarelse var det nødvendigt at indrømme, at æteren bliver båret væk af bevægende kroppe.
Desuden blev æterisk stof anset for at være absolut fast, kontinuert og på samme tid på ingen måde hindre kroppens bevægelse gennem det, inkompressibelt og desuden have tværelasticitet, ellers ville det ikke lede elektromagnetiske bølger. Derudover blev æteren udtænkt som et altgennemtrængende stof, hvilket igen ikke passer godt til tanken om hans lidenskab.
Idéen og den første produktion af Michelsons eksperiment
Den amerikanske fysiker Albert Michelson blev interesseret i æterproblemet efter at have læst Maxwells brev, udgivet efter Maxwells død i 1879, der beskrev et mislykket forsøg på at opdage Jordens bevægelse i forhold til æteren i tidsskriftet Nature.
I 1881 fandt Michelsons første eksperiment sted for at bestemme hastigheden af lys, der forplanter sig i forskellige retninger i forhold til æteren, en observatør, der bevæger sig med Jorden.
Jorden, der bevæger sig i kredsløb, skal udsættes for påvirkningen af den såkaldte æteriske vind - et fænomen, der ligner luftstrømmen, der løber på et legeme i bevægelse. En monokromatisk lysstråle rettet parallelt med denne "vind" vil bevæge sig mod den, tabe lidt i hastighed og omvendt (reflekteres fra spejlet) i den modsatte retning. Ændringen i hastigheden i begge tilfælde er den samme, men den opnås på forskellige tidspunkter: den bremsede "modgående" stråle vil tage længere tid at rejse. Så lyssignaletudsendt parallelt med "ethervinden" vil nødvendigvis blive forsinket i forhold til et signal, der rejser den samme afstand, også med refleksion fra spejlet, men i en vinkelret retning.
For at registrere denne forsinkelse blev der brugt en enhed opfundet af Michelson selv - et interferometer, hvis drift er baseret på fænomenet superposition af kohærente lysbølger. Hvis en af bølgerne blev forsinket, ville interferensmønsteret skifte på grund af den resulterende faseforskel.
Michelsons første eksperiment med spejle og et interferometer gav ikke et entydigt resultat på grund af utilstrækkelig følsomhed af enheden og undervurdering af adskillige interferenser (vibrationer) og forårsagede kritik. Der var behov for en væsentlig forbedring af nøjagtigheden.
Gentagen oplevelse
I 1887 gentog videnskabsmanden eksperimentet sammen med sin landsmand Edward Morley. De brugte en avanceret opsætning og var særlig opmærksom på at eliminere indflydelsen fra sidefaktorer.
essensen af oplevelsen har ikke ændret sig. Lysstrålen opsamlet ved hjælp af en linse faldt ind på et semitransparent spejl sat i en vinkel på 45°. Her delte han: den ene bjælke trængte gennem skillevæggen, den anden gik i en vinkelret retning. Hver af strålerne blev derefter reflekteret af et almindeligt fladt spejl, returneret til stråledeleren og ramte derefter delvist interferometeret. Eksperimentatorerne var sikre på eksistensen af en "æterisk vind" og forventede at få et fuldstændigt målbart skift på mere end en tredjedel af interferenskanten.
Det var umuligt at negligere bevægelsen af solsystemet i rummet, så ideen med eksperimentet omfattede muligheden for at rotere installationen for at finjustere retningen af den "æteriske vind".
For at undgå vibrationsinterferens og forvrængning af billedet, når du drejede enheden, blev hele strukturen placeret på en massiv stenplade med en ringformet flåde af træ, der svævede i rent kviksølv. Fundamentet under installationen blev begravet til klippen.
Eksperimentelle resultater
Forskere udførte omhyggelige observationer i løbet af året og roterede pladen med enheden med uret og mod uret. Interferensmønsteret blev registreret i 16 retninger. Og på trods af nøjagtigheden uden fortilfælde for hans æra, gav Michelsons eksperiment, udført i samarbejde med Morley, et negativt resultat.
I-fase lysbølger, der forlader stråledeleren, nåede målstregen uden faseskift. Dette blev gentaget hver gang, ved enhver position af interferometeret, og betød, at lysets hastighed i Michelsons eksperiment ikke ændrede sig under nogen omstændigheder.
Kontrol af resultaterne af eksperimentet blev udført gentagne gange, herunder i det XX århundrede, ved hjælp af laserinterferometre og mikrobølgeresonatorer, der nåede en nøjagtighed på en ti milliardtedel af lysets hastighed. Resultatet af oplevelsen forbliver urokkeligt: denne værdi er uændret.
Betydningen af eksperimentet
Af Michelsons og Morleys eksperimenter følger det, at den "æteriske vind" og følgelig denne undvigende sag i sig selv simpelthen ikke eksisterer. Hvis et fysisk objekt grundlæggende ikke detekteres i nogen processer, er det ensbetydende med dets fravær. Fysikere, herunder forfatterne af det glimrende iscenesatte eksperiment, indså ikke umiddelbart sammenbruddet af begrebet æter og dermed den absolutte referenceramme.
Kun Albert Einstein i 1905 formåede at præsentere en konsekvent og samtidig revolutionerende ny forklaring på resultaterne af eksperimentet. I betragtning af disse resultater, som de er, uden at forsøge at trække spekulativ æter til dem, nåede Einstein frem til to konklusioner:
- Intet optisk eksperiment kan detektere Jordens retlinede og ensartede bevægelse (retten til at betragte den som sådan er givet af den korte varighed af observationshandlingen).
- Med hensyn til enhver inertiereferenceramme er lysets hastighed i et vakuum uændret.
Disse konklusioner (den første - i kombination med det galileiske relativitetsprincip) tjente som grundlag for Einsteins formulering af sine berømte postulater. Så Michelson-Morley-eksperimentet tjente som et solidt empirisk grundlag for den særlige relativitetsteori.
