U drugoj polovini 19. veka fizički pogledi na prirodu širenja svetlosti, dejstvo gravitacije i neke druge pojave sve jasnije počinju da nailaze na poteškoće. Oni su bili povezani sa eteričnim konceptom koji je dominirao u nauci. Ideja o provođenju eksperimenta koji bi razriješio nagomilane kontradikcije, kako kažu, je bila u zraku.
U 1880-im godinama postavljen je niz eksperimenata, vrlo složenih i suptilnih za ta vremena - Michelsonovi eksperimenti za proučavanje zavisnosti brzine svjetlosti od smjera kretanja posmatrača. Prije nego što se detaljnije zadržimo na opisu i rezultatima ovih poznatih eksperimenata, potrebno je podsjetiti se šta je bio koncept etra i kako je shvaćena fizika svjetlosti.
Pogledi iz 19. stoljeća na prirodu svijeta
Početkom veka, talasna teorija svetlosti je trijumfovala, dobivši briljantne eksperimentalnepotvrda u radovima Junga i Fresnela, a kasnije - i teorijsko opravdanje u radu Maxwella. Svjetlost je apsolutno nepobitno pokazivala valna svojstva, a korpuskularna teorija je bila zakopana pod gomilom činjenica koje nije mogla objasniti (oživjela bi tek početkom 20. vijeka na potpuno novoj osnovi).
Međutim, fizika tog doba nije mogla zamisliti širenje talasa drugačije osim mehaničkim vibracijama medija. Ako je svjetlost talas i može se širiti u vakuumu, onda naučnici nisu imali izbora nego pretpostaviti da je vakuum ispunjen određenom supstancom, zbog njenih vibracija koje provode svjetlosne valove.
Luminous Aether
Tajanstvena supstanca, bestežinska, nevidljiva, nije registrovana nikakvim uređajima, zvala se eter. Michelsonov eksperiment je upravo osmišljen da potvrdi činjenicu njegove interakcije s drugim fizičkim objektima.
Hipoteze o postojanju eterične materije izneli su Descartes i Huygens u 17. veku, ali je ona postala neophodna kao vazduh u 19. veku, a istovremeno je dovela do nerešivih paradoksa. Činjenica je da je eter, da bi uopšte postojao, morao imati međusobno isključive ili, općenito, fizički nestvarne kvalitete.
Ether koncept kontradikcije
Da bi odgovarao slici posmatranog sveta, svetleći etar mora biti apsolutno nepomičan - inače bi ova slika bila stalno izobličena. Ali njegova nepokretnost bila je u nepomirljivom sukobu s Maxwellovim jednadžbama i principomGalilejeva relativnost. Radi njihovog očuvanja, trebalo je priznati da se etar odnosi pokretnim telima.
Osim toga, smatralo se da je eterična materija apsolutno čvrsta, kontinuirana i da u isto vrijeme ni na koji način ne ometa kretanje tijela kroz nju, nestišljiva i, osim toga, posjeduje poprečnu elastičnost, inače ne bi provodila elektromagnetne valove. Osim toga, eter je zamišljen kao sveprožimajuća supstanca, koja se, opet, ne uklapa dobro sa idejom njegove strasti.
Ideja i prva produkcija Michelsonovog eksperimenta
Američki fizičar Albert Michelson zainteresovao se za problem etra nakon što je pročitao Maksvelovo pismo, objavljeno nakon Maksvelove smrti 1879. godine, u kojem je u časopisu Nature opisan neuspešan pokušaj da se detektuje kretanje Zemlje u odnosu na eter..
Godine 1881. održan je prvi Michelsonov eksperiment za određivanje brzine svjetlosti koja se širi u različitim smjerovima u odnosu na eter, posmatrača koji se kreće sa Zemljom.
Zemlja, koja se kreće u orbiti, mora biti podvrgnuta dejstvu takozvanog eteričnog vetra - fenomena sličnog strujanju vazduha koji teče na telo koje se kreće. Monokromatski svjetlosni snop usmjeren paralelno sa ovim "vjetrom" kretat će se prema njemu, gubeći malo u brzini, i obrnuto (reflektirajući se od ogledala) u suprotnom smjeru. Promjena brzine u oba slučaja je ista, ali se postiže u različito vrijeme: usporenom "nadolazećem" snopu potrebno je duže da putuje. Dakle svetlosni signalemitovano paralelno sa "eterskim vetrom" će nužno biti odloženo u odnosu na signal koji putuje na istoj udaljenosti, takođe sa refleksijom od ogledala, ali u okomitom smeru.
Za registrovanje ovog kašnjenja korišćen je uređaj koji je izmislio sam Majklson - interferometar, čiji se rad zasniva na fenomenu superpozicije koherentnih svetlosnih talasa. Ako bi jedan od valova bio odgođen, interferencijski uzorak bi se pomjerio zbog rezultujuće razlike u fazi.
Michelsonov prvi eksperiment sa ogledalima i interferometrom nije dao jednoznačan rezultat zbog nedovoljne osjetljivosti uređaja i potcjenjivanja brojnih smetnji (vibracija) i izazvao je kritike. Bilo je potrebno značajno poboljšanje tačnosti.
Ponovljeno iskustvo
Godine 1887, naučnik je ponovio eksperiment zajedno sa svojim sunarodnikom Edwardom Morleyem. Koristili su napredno podešavanje i posebno su vodili računa da eliminišu uticaj sporednih faktora.
Suština iskustva se nije promijenila. Svjetlosni snop prikupljen pomoću sočiva padao je na poluprovidno ogledalo postavljeno pod uglom od 45°. Ovdje se podijelio: jedna je greda probila kroz razdjelnik, druga je otišla u okomitom smjeru. Svaki od snopova je zatim odbijen od običnog ravnog ogledala, vraćen u razdjelnik snopa, a zatim djelomično udario u interferometar. Eksperimentatori su bili uvjereni u postojanje "eteričnog vjetra" i očekivali su da će dobiti potpuno mjerljiv pomak od više od trećine interferentne ivice.
Bilo je nemoguće zanemariti kretanje Sunčevog sistema u svemiru, pa je ideja eksperimenta uključivala mogućnost rotacije instalacije kako bi se fino podesio smjer "eteričnog vjetra".
Da bi se izbjegle vibracijske smetnje i izobličenje slike pri okretanju uređaja, cijela konstrukcija je postavljena na masivnu kamenu ploču sa drvenim toroidnim plovkom koji lebdi u čistoj živi. Temelj ispod instalacije je ukopan u stijenu.
Eksperimentalni rezultati
Naučnici su vodili pažljiva posmatranja tokom cijele godine, rotirajući ploču sa uređajem u smjeru kazaljke na satu i suprotno od kazaljke na satu. Interferentni uzorak je snimljen u 16 pravaca. I, uprkos preciznosti bez presedana za njegovu eru, Michelsonov eksperiment, izveden u saradnji sa Morleyem, dao je negativan rezultat.
Svjetlosni talasi u fazi koji napuštaju razdjelnik zraka stigli su do cilja bez pomaka faze. Ovo se ponavljalo svaki put, na bilo kojoj poziciji interferometra, što je značilo da se brzina svjetlosti u Michelsonovom eksperimentu nije mijenjala ni pod kojim okolnostima.
Provjera rezultata eksperimenta vršena je u više navrata, uključujući i XX vijek, korištenjem laserskih interferometara i mikrotalasnih rezonatora, postižući tačnost od deset milijarditi dio brzine svjetlosti. Rezultat iskustva ostaje nepokolebljiv: ova vrijednost je nepromijenjena.
Značenje eksperimenta
Iz eksperimenata Michelsona i Morleya proizilazi da "eterični vjetar", a samim tim i ova neuhvatljiva materija jednostavno ne postoji. Ako bilo koji fizički objekt u osnovi nije otkriven ni u jednom procesu, to je jednako njegovom odsustvu. Fizičari, uključujući i autore briljantno postavljenog eksperimenta, nisu odmah shvatili kolaps koncepta etra, a sa njim i apsolutnog referentnog okvira.
Samo je Albert Ajnštajn 1905. uspeo da predstavi dosledno i istovremeno revolucionarno novo objašnjenje rezultata eksperimenta. Uzimajući u obzir ove rezultate onakvima kakvi jesu, bez pokušaja da im privuče spekulativni eter, Ajnštajn je došao do dva zaključka:
- Nijedan optički eksperiment ne može otkriti pravolinijsko i ravnomjerno kretanje Zemlje (pravo da se smatra takvim ima kratko trajanje čina posmatranja).
- Što se tiče bilo kojeg inercijalnog referentnog okvira, brzina svjetlosti u vakuumu je nepromijenjena.
Ovi zaključci (prvi - u kombinaciji sa Galilejevim principom relativnosti) poslužili su kao osnova za Ajnštajnovu formulaciju njegovih čuvenih postulata. Tako je Michelson-Morleyjev eksperiment poslužio kao čvrsta empirijska osnova za specijalnu teoriju relativnosti.
