I andre halvdel av 1800-tallet begynte fysiske syn på arten av lysets utbredelse, tyngdekraftens virkning og enkelte andre fenomener mer og tydeligere å møte vanskeligheter. De var forbundet med det eteriske konseptet som dominerte i vitenskapen. Ideen om å gjennomføre et eksperiment som ville løse de akkumulerte motsetningene, som de sier, lå i luften.
På 1880-tallet ble det satt opp en serie eksperimenter, svært komplekse og subtile for den tiden - Michelsons eksperimenter for å studere lyshastighetens avhengighet av bevegelsesretningen til observatøren. Før vi dveler mer detaljert ved beskrivelsen og resultatene av disse berømte eksperimentene, er det nødvendig å huske hva begrepet eter var og hvordan lysets fysikk ble forstått.
1800-talls syn på verdens natur
På begynnelsen av århundret seiret bølgeteorien om lys og mottok strålende eksperimentellbekreftelse i verkene til Jung og Fresnel, og senere - og teoretisk begrunnelse i arbeidet til Maxwell. Lyset viste absolutt unektelig bølgeegenskaper, og den korpuskulære teorien ble begravd under en haug med fakta som den ikke kunne forklare (den skulle først gjenopplives på begynnelsen av 1900-tallet på et helt nytt grunnlag).
Men fysikken i den epoken kunne ikke forestille seg forplantningen av en bølge på annen måte enn gjennom de mekaniske vibrasjonene til et medium. Hvis lys er en bølge, og det er i stand til å forplante seg i et vakuum, hadde forskerne ikke noe annet valg enn å anta at vakuumet er fylt med et bestemt stoff, på grunn av dets vibrasjoner som leder lysbølger.
Luminous Aether
Det mystiske stoffet, vektløs, usynlig, ikke registrert av noen enheter, ble k alt eter. Michelsons eksperiment ble nettopp designet for å bekrefte det faktum at det samspillet med andre fysiske objekter.
Hypoteser om eksistensen av eterisk materie ble uttrykt av Descartes og Huygens på 1600-tallet, men den ble nødvendig som luft på 1800-tallet, og førte samtidig til uløselige paradokser. Faktum er at for å eksistere generelt, måtte eteren ha gjensidig utelukkende eller generelt fysisk uvirkelige egenskaper.
Ether-konseptmotsigelser
For å matche bildet av den observerte verden, må den lysende eteren være helt ubevegelig - ellers ville dette bildet bli konstant forvrengt. Men hans immobilitet var i uforsonlig konflikt med Maxwells ligninger og prinsippetGalileisk relativitet. Av hensyn til deres bevaring var det nødvendig å innrømme at eteren blir båret bort av bevegelige kropper.
Dessuten ble eterisk stoff antatt å være absolutt solid, kontinuerlig og samtidig på ingen måte hindre bevegelsen av kropper gjennom den, inkompressibel og dessuten ha tverrgående elastisitet, ellers ville den ikke lede elektromagnetiske bølger. I tillegg ble eteren tenkt som et altgjennomtrengende stoff, som igjen ikke passer godt med ideen om lidenskapen hans.
Ideen og den første produksjonen av Michelsons eksperiment
Den amerikanske fysikeren Albert Michelson ble interessert i eterproblemet etter å ha lest Maxwells brev, publisert etter Maxwells død i 1879, som beskrev et mislykket forsøk på å oppdage jordens bevegelse i forhold til eteren i tidsskriftet Nature.
I 1881 fant Michelsons første eksperiment sted for å bestemme hastigheten på lys som forplanter seg i forskjellige retninger i forhold til eteren, en observatør som beveger seg med jorden.
Jorden, som beveger seg i bane, må utsettes for virkningen av den såk alte eteriske vinden – et fenomen som ligner på luftstrømmen som løper på et legeme i bevegelse. En monokromatisk lysstråle rettet parallelt med denne "vinden" vil bevege seg mot den, mister litt i hastighet, og omvendt (reflekterer fra speilet) i motsatt retning. Hastighetsendringen i begge tilfeller er den samme, men den oppnås på forskjellige tidspunkter: den bremsede "motgående" strålen vil ta lengre tid å reise. Så lyssignaletsendes ut parallelt med "etervinden" vil nødvendigvis bli forsinket i forhold til et signal som reiser samme avstand, også med refleksjon fra speilet, men i vinkelrett retning.
For å registrere denne forsinkelsen ble en enhet oppfunnet av Michelson selv brukt - et interferometer, hvis operasjon er basert på fenomenet superposisjon av koherente lysbølger. Hvis en av bølgene ble forsinket, ville interferensmønsteret skifte på grunn av den resulterende faseforskjellen.
Michelsons første eksperiment med speil og et interferometer ga ikke et entydig resultat på grunn av utilstrekkelig følsomhet av enheten og undervurdering av en rekke interferenser (vibrasjoner) og forårsaket kritikk. Betydelig forbedring av nøyaktigheten var nødvendig.
Gjentatt opplevelse
I 1887 gjentok forskeren eksperimentet sammen med sin landsmann Edward Morley. De brukte et avansert oppsett og passet spesielt på å eliminere påvirkningen av sidefaktorer.
Kjernen i opplevelsen har ikke endret seg. Lysstrålen samlet ved hjelp av en linse f alt inn på et halvgjennomsiktig speil satt i en vinkel på 45°. Her delte han: den ene bjelken trengte gjennom skilleveggen, den andre gikk i vinkelrett retning. Hver av strålene ble deretter reflektert av et vanlig flatt speil, returnert til stråledeleren, og traff deretter delvis interferometeret. Eksperimentørene var sikre på eksistensen av en "eterisk vind" og forventet å få en fullstendig målbar forskyvning på mer enn en tredjedel av interferenskanten.
Det var umulig å neglisjere bevegelsen til solsystemet i rommet, så ideen med eksperimentet inkluderte muligheten til å rotere installasjonen for å finjustere retningen til den "eteriske vinden".
For å unngå vibrasjonsforstyrrelser og forvrengning av bildet når du snur enheten, ble hele strukturen plassert på en massiv steinplate med en toroidformet treflottør som flyter i rent kvikksølv. Fundamentet under installasjonen ble gravd ned til fjellet.
Eksperimentelle resultater
Forskere utførte nøye observasjoner gjennom året, og roterte platen med enheten med klokken og mot klokken. Interferensmønsteret ble registrert i 16 retninger. Og til tross for nøyaktigheten uten sidestykke for hans tid, ga Michelsons eksperiment, utført i samarbeid med Morley, et negativt resultat.
In-fase lysbølger som forlater stråledeleren nådde målstreken uten faseskift. Dette ble gjentatt hver gang, ved hvilken som helst posisjon av interferometeret, og betydde at lyshastigheten i Michelsons eksperiment ikke endret seg under noen omstendigheter.
Sjekking av resultatene av eksperimentet ble utført gjentatte ganger, inkludert på 2000-tallet, ved bruk av laserinterferometre og mikrobølgeresonatorer, og nådde en nøyaktighet på en ti milliarddel av lysets hastighet. Resultatet av opplevelsen forblir urokkelig: denne verdien er uendret.
Betydningen av eksperimentet
Fra eksperimentene til Michelson og Morley følger det at den "eteriske vinden", og følgelig denne unnvikende saken i seg selv, ganske enkelt ikke eksisterer. Hvis et fysisk objekt fundament alt ikke oppdages i noen prosesser, er dette ensbetydende med fraværet. Fysikere, inkludert forfatterne av det strålende iscenesatte eksperimentet, skjønte ikke umiddelbart sammenbruddet av begrepet eter, og med det den absolutte referanserammen.
Bare Albert Einstein i 1905 klarte å presentere en konsekvent og samtidig revolusjonerende ny forklaring på resultatene av eksperimentet. Tatt i betraktning disse resultatene som de er, uten å prøve å trekke spekulativ eter til dem, kom Einstein til to konklusjoner:
- Ingen optisk eksperiment kan oppdage den rettlinjede og jevne bevegelsen til jorden (retten til å betrakte den som sådan er gitt av den korte varigheten av observasjonshandlingen).
- Når det gjelder en hvilken som helst treghetsreferanseramme, er lyshastigheten i et vakuum uendret.
Disse konklusjonene (den første - i kombinasjon med det galileiske relativitetsprinsippet) fungerte som grunnlaget for Einsteins formulering av hans berømte postulater. Så Michelson-Morley-eksperimentet tjente som et solid empirisk grunnlag for den spesielle relativitetsteorien.
