1800-luvun jälkipuoliskolla fyysiset näkemykset valon etenemisen luonteesta, painovoiman vaikutuksesta ja joistakin muista ilmiöistä alkoivat kohdata yhä selvemmin vaikeuksia. Ne liittyivät tieteessä hallitsevaan eteeriseen käsitteeseen. Ajatus kokeen tekemisestä, joka ratkaisisi kertyneet ristiriidat, kuten he sanovat, oli ilmassa.
1880-luvulla perustettiin sarja kokeita, jotka olivat hyvin monimutkaisia ja hienovaraisia noihin aikoihin - Michelsonin kokeita valonnopeuden riippuvuuden tutkimiseksi havainnoijan liikesuunnasta. Ennen kuin käsittelemme tarkemmin näiden kuuluisien kokeiden kuvauksia ja tuloksia, on muistettava, mikä oli eetterin käsite ja kuinka valon fysiikka ymmärrettiin.
1800-luvun näkemykset maailman luonteesta
Vuosisadan alussa valon a altoteoria voitti ja sai loistavan kokeellisenvahvistus Jungin ja Fresnelin teoksissa ja myöhemmin - ja teoreettinen perustelu Maxwellin teoksissa. Valolla oli ehdottomasti kiistatta a alto-ominaisuuksia, ja korpuskulaarinen teoria hautautui faktapinon alle, jota se ei voinut selittää (se herätettäisiin henkiin vasta 1900-luvun alussa täysin uudella pohjalla).
Sen aikakauden fysiikka ei kuitenkaan voinut kuvitella aallon etenemistä muuten kuin väliaineen mekaanisten värähtelyjen kautta. Jos valo on a alto ja se pystyy leviämään tyhjiössä, tiedemiehillä ei ollut muuta vaihtoehtoa kuin olettaa, että tyhjiö on täytetty tietyllä aineella, koska sen värähtelyt johtavat valoa altoja.
Luminous Eether
Salaperäistä ainetta, painotonta, näkymätöntä, jota mikään laite ei rekisteröinyt, kutsuttiin eetteriksi. Michelsonin koe oli vain suunniteltu vahvistamaan sen vuorovaikutus muiden fyysisten kohteiden kanssa.
Hypoteesia eteerisen aineen olemassaolosta esittivät Descartes ja Huygens 1600-luvulla, mutta se tuli välttämättömäksi ilmana 1800-luvulla ja johti samalla liukenemattomiin paradokseihin. Tosiasia on, että ollakseen olemassa yleisesti, eetterillä täytyi olla toisensa poissulkevia tai yleensä fyysisesti epätodellisia ominaisuuksia.
Eetterin käsiteristiriidat
Vastaakseen havaitun maailman kuvaa, valoeetterin on oltava täysin liikkumatonta - muuten tämä kuva vääristyy jatkuvasti. Mutta hänen liikkumattomuutensa oli sovittamattomassa ristiriidassa Maxwellin yhtälöiden ja periaatteen kanssaGalilean suhteellisuusteoria. Niiden säilymisen vuoksi oli pakko myöntää, että liikkuvat kappaleet kuljettavat eetteriä pois.
Lisäksi eteerisen aineen ajateltiin olevan ehdottoman kiinteää, jatkuvaa ja samalla millään tavalla kappaleiden liikkumista sen läpi estävänä, kokoonpuristumatonta ja lisäksi poikittaista elastisuutta, muuten se ei johtaisi sähkömagneettisia a altoja. Lisäksi eetteri suunniteltiin kaiken läpäiseväksi aineeksi, joka taaskaan ei sovi hyvin hänen intohimonsa ideaan.
Michelsonin kokeilun idea ja ensimmäinen tuotanto
Yhdysv altalainen fyysikko Albert Michelson kiinnostui eetteriongelmasta luettuaan Maxwellin kirjeen, joka julkaistiin Maxwellin kuoleman jälkeen vuonna 1879 ja jossa kuvattiin Nature-lehdessä epäonnistunutta yritystä havaita Maan liikettä eetterin suhteen.
Vuonna 1881 Michelson teki ensimmäisen kokeen eri suuntiin etenevän valon nopeuden määrittämiseksi suhteessa eetteriin, Maan mukana liikkuvaan tarkkailijaan.
Maapallo, joka liikkuu kiertoradalla, on alistettava niin sanotun eteerisen tuulen vaikutukselle - ilmiö, joka on samanlainen kuin liikkuvan kappaleen päällä kulkeva ilmavirta. Tämän "tuulen" suuntainen monokromaattinen valonsäde liikkuu sitä kohti menettäen hieman nopeutta ja päinvastoin (heijastaen peilistä) vastakkaiseen suuntaan. Nopeuden muutos molemmissa tapauksissa on sama, mutta se saavutetaan eri aikoina: hidastunut "vastaantuleva" säde kestää kauemmin. Eli valomerkki"eetterituulen" suuntainen lähetys viivästyy väistämättä saman matkan kulkevaan signaaliin nähden, myös peilistä heijastuneena, mutta kohtisuorassa suunnassa.
Tämän viiveen rekisteröimiseen käytettiin Michelsonin itsensä keksimää laitetta - interferometriä, jonka toiminta perustuu koherenttien valoa altojen superpositioon. Jos jokin aalloista viivästyisi, häiriökuvio siirtyisi tuloksena olevan vaihe-eron vuoksi.
Michelsonin ensimmäinen koe peilien ja interferometrin kanssa ei antanut yksiselitteistä tulosta johtuen laitteen riittämättömästä herkkyydestä ja lukuisten häiriöiden (värähtelyjen) aliarvioinnista ja aiheutti kritiikkiä. Tarkkuutta vaadittiin merkittävästi.
Toistuva kokemus
Vuonna 1887 tiedemies toisti kokeen yhdessä maanmiehensä Edward Morleyn kanssa. He käyttivät edistyneitä asetuksia ja kiinnittivät erityistä huomiota sivutekijöiden vaikutuksen eliminointiin.
Kokemuksen ydin ei ole muuttunut. Linssin avulla kerätty valonsäde osui puoliläpinäkyvään peiliin, joka oli asetettu 45°:n kulmaan. Täällä hän jakoi: yksi säde tunkeutui jakajan läpi, toinen meni kohtisuoraan. Jokainen säde heijastui sitten tavallisesta litteästä peilistä, palasi säteenjakajaan ja osui sitten osittain interferometriin. Kokeen tekijät luottivat "eetterituulen" olemassaoloon ja odottivat saavansa täysin mitattavissa olevan, yli kolmanneksen häiriörajasta.
Aurinkokunnan liikettä avaruudessa oli mahdotonta jättää huomioimatta, joten kokeilun ideaan sisältyi mahdollisuus kiertää asennusta "eetterituulen" suunnan hienosäätämiseksi.
Tärinän häiriöiden ja kuvan vääristymisen välttämiseksi laitetta käännettäessä koko rakenne asetettiin massiiviselle kivilaatalle, jossa oli puhtaassa elohopeassa kelluva puinen toroidaalinen kelluke. Asennuksen alla oleva perustus haudattiin kallioon.
Kokeelliset tulokset
Tutkijat suorittivat huolellisia havaintoja koko vuoden ajan kiertäen levyä laitteella myötä- ja vastapäivään. Häiriökuvio tallennettiin 16 suuntaan. Ja huolimatta hänen aikakautensa ennennäkemättömästä tarkkuudesta, Michelsonin kokeilu, joka suoritettiin yhteistyössä Morleyn kanssa, antoi negatiivisen tuloksen.
Säteenjakajasta lähtevät samanvaiheiset valoaallot saavuttivat maaliin ilman vaihesiirtoa. Tämä toistettiin joka kerta, missä tahansa interferometrin asennossa, ja se tarkoitti, että valon nopeus Michelsonin kokeessa ei muuttunut missään olosuhteissa.
Kokeen tuloksia tarkistettiin toistuvasti, myös 1900-luvulla, käyttämällä laserinterferometrejä ja mikroa altouuniresonaattoreita, jolloin saavutettiin kymmenen miljardisosan tarkkuus valonnopeudesta. Kokemuksen tulos pysyy horjumattomana: tämä arvo on muuttumaton.
Kokeen merkitys
Michelsonin ja Morleyn kokeista seuraa, että "eetterituulta" ja sen seurauksena tätä vaikeasti havaittavaa ainetta ei yksinkertaisesti ole olemassa. Jos jotakin fyysistä objektia ei pohjimmiltaan havaita missään prosesseissa, tämä merkitsee sen puuttumista. Fyysikot, mukaan lukien loistavasti lavastetun kokeen kirjoittajat, eivät heti ymmärtäneet eetterin käsitteen ja sen kanssa absoluuttisen vertailukehyksen romahtamista.
Vain Albert Einstein onnistui vuonna 1905 esittämään johdonmukaisen ja samalla vallankumouksellisen uuden selityksen kokeen tuloksista. Ottaen huomioon nämä tulokset sellaisina kuin ne ovat yrittämättä vetää niihin spekulatiivista eetteriä, Einstein päätyi kahteen johtopäätökseen:
- Mikään optinen koe ei pysty havaitsemaan Maan suoraviivaista ja tasaista liikettä (oikeuden pitää sitä sellaisenaan antaa tarkkailun lyhyt kesto).
- Inertiavertailukehyksen os alta valon nopeus tyhjiössä ei muutu.
Nämä johtopäätökset (ensimmäinen – yhdessä Galilean suhteellisuusperiaatteen kanssa) toimivat perustana Einsteinin kuuluisille postulaateilleen. Joten Michelson-Morley-koe toimi vankana empiirisenä perustana erityiselle suhteellisuusteorialle.
