V druhej polovici 19. storočia sa fyzikálne názory na povahu šírenia svetla, pôsobenie gravitácie a niektoré ďalšie javy čoraz zreteľnejšie začali stretávať s ťažkosťami. Súviseli s éterickým konceptom dominujúcim vo vede. Vo vzduchu bola myšlienka uskutočniť experiment, ktorý by vyriešil nahromadené rozpory, ako sa hovorí.
V 80. rokoch 19. storočia sa uskutočnila séria experimentov, na tie časy veľmi zložitých a rafinovaných - Michelsonove experimenty na štúdium závislosti rýchlosti svetla od smeru pohybu pozorovateľa. Predtým, než sa budeme podrobnejšie zaoberať popisom a výsledkami týchto slávnych experimentov, je potrebné pripomenúť, čo bol pojem éter a ako sa chápala fyzika svetla.
Názory na povahu sveta z 19. storočia
Na začiatku storočia zvíťazila vlnová teória svetla, ktorá získala skvelé experimentypotvrdenie v prácach Junga a Fresnela a neskôr - a teoretické zdôvodnenie v práci Maxwella. Svetlo absolútne nepopierateľne vykazovalo vlnové vlastnosti a korpuskulárna teória bola pochovaná pod hromadou faktov, ktoré nevedela vysvetliť (obnovila by sa až začiatkom 20. storočia na úplne novom základe).
Fyzika tej doby si však nedokázala predstaviť šírenie vlny inak ako prostredníctvom mechanických vibrácií média. Ak je svetlo vlnou a môže sa šíriť vo vákuu, potom vedcom nezostávalo nič iné, len predpokladať, že vákuum je vyplnené určitou látkou, vďaka jej vibráciám, ktoré vedú svetelné vlny.
Svietiaci éter
Záhadná látka, beztiažová, neviditeľná, nezaregistrovaná žiadnymi zariadeniami, sa volala éter. Michelsonov experiment bol navrhnutý tak, aby potvrdil skutočnosť jeho interakcie s inými fyzickými objektmi.
Hypotézy o existencii éterickej hmoty vyjadrili Descartes a Huygens v 17. storočí, no v 19. storočí sa stala nevyhnutnou ako vzduch a zároveň viedla k neriešiteľným paradoxom. Faktom je, že na to, aby éter existoval vo všeobecnosti, musel mať vzájomne sa vylučujúce alebo vo všeobecnosti fyzicky neskutočné vlastnosti.
Rozpory v koncepte éteru
Aby zodpovedal obrazu pozorovaného sveta, svietiaci éter musí byť absolútne nehybný – inak by bol tento obraz neustále skreslený. Ale jeho nehybnosť bola v nezmieriteľnom rozpore s Maxwellovými rovnicami a princípomGalileovská relativita. V záujme ich zachovania bolo potrebné priznať, že éter unášajú pohybujúce sa telesá.
O éterickej hmote sa predpokladalo, že je absolútne pevná, súvislá a zároveň v žiadnom prípade nebráni pohybu telies cez ňu, je nestlačiteľná a navyše majúca priečnu elasticitu, inak by neviedla elektromagnetické vlny. Okrem toho bol éter koncipovaný ako všeprestupujúca látka, čo sa opäť nezhoduje s myšlienkou jeho vášne.
Nápad a prvá produkcia Michelsonovho experimentu
Americký fyzik Albert Michelson sa začal zaujímať o problém éteru po prečítaní Maxwellovho listu publikovaného po Maxwellovej smrti v roku 1879, ktorý v časopise Nature popisoval neúspešný pokus o detekciu pohybu Zeme vzhľadom na éter.
V roku 1881 sa uskutočnil Michelsonov prvý experiment na určenie rýchlosti svetla šíriaceho sa rôznymi smermi vzhľadom na éter, pozorovateľa pohybujúceho sa so Zemou.
Zem, ktorá sa pohybuje po obežnej dráhe, musí byť vystavená pôsobeniu takzvaného éterického vetra – javu podobnému prúdeniu vzduchu prúdiaceho na pohybujúce sa teleso. Monochromatický svetelný lúč nasmerovaný rovnobežne s týmto „vetrom“sa bude pohybovať smerom k nemu, pričom trochu stratí rýchlosť, a naopak (odrazom od zrkadla) v opačnom smere. Zmena rýchlosti je v oboch prípadoch rovnaká, ale dosahuje sa v rôznych časoch: spomalenému „protiidúcemu“lúču bude trvať dlhšie. Takže svetelný signálvysielaný paralelne s „éterovým vetrom“bude nevyhnutne oneskorený v porovnaní so signálom prechádzajúcim na rovnakú vzdialenosť, tiež s odrazom od zrkadla, ale v kolmom smere.
Na registráciu tohto oneskorenia bolo použité zariadenie, ktoré vynašiel sám Michelson – interferometer, ktorého činnosť je založená na fenoméne superpozície koherentných svetelných vĺn. Ak by sa jedna z vĺn oneskorila, interferenčný obrazec by sa posunul v dôsledku výsledného fázového rozdielu.
Prvý Michelsonov experiment so zrkadlami a interferometrom nedal jednoznačný výsledok pre nedostatočnú citlivosť zariadenia a podcenenie mnohých interferencií (vibrácií) a vyvolal kritiku. Bolo potrebné výrazné zlepšenie presnosti.
Opakovaná skúsenosť
V roku 1887 vedec experiment zopakoval spolu so svojím krajanom Edwardom Morleym. Použili pokročilé nastavenie a venovali osobitnú pozornosť eliminácii vplyvu vedľajších faktorov.
Podstata zážitku sa nezmenila. Svetelný lúč zozbieraný pomocou šošovky dopadol na polopriepustné zrkadlo nastavené pod uhlom 45°. Tu sa rozdelil: jeden lúč prenikol cez delič, druhý išiel v kolmom smere. Každý z lúčov sa potom odrazil obyčajným plochým zrkadlom, vrátil sa do rozdeľovača lúčov a potom čiastočne zasiahol interferometer. Experimentátori si boli istí existenciou „éterického vetra“a očakávali, že dosiahnu úplne merateľný posun o viac ako tretinu interferenčného prúžku.
Nebolo možné zanedbať pohyb slnečnej sústavy vo vesmíre, takže myšlienka experimentu zahŕňala možnosť otáčať inštaláciu, aby sa doladil smer „éterického vetra“.
Aby sa predišlo rušeniu vibráciami a skresleniu obrazu pri otáčaní zariadenia, bola celá konštrukcia umiestnená na masívnej kamennej doske s dreveným toroidným plavákom plávajúcim v čistej ortuti. Základ pod inštaláciou bol zakopaný do skaly.
Experimentálne výsledky
Vedci vykonávali starostlivé pozorovania počas celého roka a otáčali tanierom so zariadením v smere a proti smeru hodinových ručičiek. Interferenčný obrazec bol zaznamenaný v 16 smeroch. A napriek presnosti bezprecedentnej pre jeho éru, Michelsonov experiment, uskutočnený v spolupráci s Morleym, priniesol negatívny výsledok.
Fázové svetelné vlny opúšťajúce rozdeľovač lúčov dosiahli cieľovú čiaru bez fázového posunu. Toto sa opakovalo zakaždým, v akejkoľvek polohe interferometra a znamenalo to, že rýchlosť svetla v Michelsonovom experimente sa za žiadnych okolností nezmenila.
Kontrola výsledkov experimentu bola vykonaná opakovane, vrátane XX storočia, pomocou laserových interferometrov a mikrovlnných rezonátorov, dosahujúcich presnosť jednej desaťmiliardtiny rýchlosti svetla. Výsledok skúsenosti zostáva neotrasiteľný: táto hodnota sa nemení.
Význam experimentu
Z experimentov Michelsona a Morleyho vyplýva, že „éterický vietor“a následne táto nepolapiteľná hmota samotná jednoducho neexistuje. Ak nejaký fyzický objekt nie je v zásade detegovaný v žiadnom procese, rovná sa to jeho neprítomnosti. Fyzici, vrátane autorov brilantne zinscenovaného experimentu, si kolaps konceptu éteru a s ním aj absolútneho referenčného rámca hneď neuvedomili.
Až Albertovi Einsteinovi sa v roku 1905 podarilo predložiť konzistentné a zároveň revolučné nové vysvetlenie výsledkov experimentu. Vzhľadom na tieto výsledky také, aké sú, bez toho, aby sa k nim pokúšal pritiahnuť špekulatívny éter, Einstein dospel k dvom záverom:
- Žiadny optický experiment nedokáže zistiť priamočiary a rovnomerný pohyb Zeme (právo považovať ho za taký je dané krátkym trvaním aktu pozorovania).
- Pokiaľ ide o akúkoľvek inerciálnu referenčnú sústavu, rýchlosť svetla vo vákuu sa nemení.
Tieto závery (prvý - v kombinácii s Galileovým princípom relativity) slúžili ako základ pre Einsteinovu formuláciu jeho slávnych postulátov. Michelsonov-Morleyho experiment teda slúžil ako solídny empirický základ pre špeciálnu teóriu relativity.
