In die tweede helfte van die 19de eeu het fisiese sienings oor die aard van die voortplanting van lig, die werking van swaartekrag en sommige ander verskynsels al hoe duideliker probleme begin ondervind. Hulle was verbind met die eteriese konsep wat in die wetenskap oorheers. Die idee om 'n eksperiment uit te voer wat die opgehoopte teenstrydighede sou oplos, soos hulle sê, was in die lug.
In die 1880's is 'n reeks eksperimente opgestel, baie kompleks en subtiel vir daardie tye - Michelson se eksperimente om die afhanklikheid van die spoed van lig op die bewegingsrigting van die waarnemer te bestudeer. Voordat daar in meer besonderhede oor die beskrywing en resultate van hierdie bekende eksperimente stilgestaan word, is dit nodig om te onthou wat die konsep van eter was en hoe die fisika van lig verstaan is.
19de-eeuse sienings oor die aard van die wêreld
Aan die begin van die eeu het die golfteorie van lig geseëvier en briljante eksperimentele ontvangsbevestiging in die werke van Jung en Fresnel, en later - en teoretiese regverdiging in die werk van Maxwell. Lig het absoluut onteenseglik golfeienskappe vertoon, en die korpuskulêre teorie is begrawe onder 'n stapel feite wat dit nie kon verklaar nie (dit sou eers aan die begin van die 20ste eeu op 'n heeltemal nuwe basis herleef word).
Die fisika van daardie era kon egter nie die voortplanting van 'n golf anders voorstel as deur die meganiese vibrasies van 'n medium nie. As lig 'n golf is, en dit kan voortplant in 'n vakuum, dan het wetenskaplikes geen ander keuse gehad as om aan te neem dat die vakuum gevul is met 'n sekere stof, as gevolg van sy vibrasies wat liggolwe gelei nie.
Luminous Aether
Die geheimsinnige stof, gewigloos, onsigbaar, wat nie deur enige toestelle geregistreer is nie, is eter genoem. Michelson se eksperiment is net ontwerp om die feit van sy interaksie met ander fisiese voorwerpe te bevestig.
Hipoteses oor die bestaan van eteriese materie is in die 17de eeu deur Descartes en Huygens uitgedruk, maar dit het in die 19de eeu as lug nodig geword en terselfdertyd tot onoplosbare paradokse gelei. Die feit is dat om in die algemeen te bestaan, die eter wedersyds uitsluitende of, in die algemeen, fisies onwerklike eienskappe moes hê.
Ether-konsep teenstrydighede
Om by die prentjie van die waargenome wêreld te pas, moet die helder eter absoluut roerloos wees – anders sou hierdie prentjie voortdurend vervorm word. Maar sy onbeweeglikheid was in onversoenbare konflik met Maxwell se vergelykings en die beginselGalilese relatiwiteit. Ter wille van hul bewaring was dit nodig om te erken dat die eter deur bewegende liggame weggevoer word.
Daar is boonop gedink dat eteriese materie absoluut solied, kontinu is en terselfdertyd geensins die beweging van liggame daardeur verhinder nie, onsaamdrukbaar is en boonop transversale elastisiteit besit, anders sou dit nie elektromagnetiese golwe gelei nie. Daarbenewens is die eter as 'n alles-deurdringende stof beskou, wat weereens nie goed pas by die idee van sy passie nie.
Die idee en die eerste produksie van Michelson se eksperiment
Amerikaanse fisikus Albert Michelson het in die eterprobleem geïnteresseerd geraak nadat hy Maxwell se brief gelees het, gepubliseer ná Maxwell se dood in 1879, waarin hy 'n onsuksesvolle poging beskryf het om die Aarde se beweging met betrekking tot die eter op te spoor in die joernaal Nature.
In 1881 het Michelson se eerste eksperiment plaasgevind om die spoed van lig te bepaal wat in verskillende rigtings relatief tot die eter voortplant, 'n waarnemer wat saam met die Aarde beweeg.
Die Aarde, wat in 'n wentelbaan beweeg, moet onderwerp word aan die werking van die sogenaamde eteriese wind - 'n verskynsel soortgelyk aan die vloei van lug wat op 'n bewegende liggaam loop. 'n Monochromatiese ligstraal wat parallel aan hierdie "wind" gerig is, sal daarheen beweeg, 'n bietjie in spoed verloor, en omgekeerd (weerkaats vanaf die spieël) in die teenoorgestelde rigting. Die verandering in spoed is in beide gevalle dieselfde, maar dit word op verskillende tye bereik: die vertraagde "aankomende" straal sal langer neem om te reis. Dus die ligseinwat parallel met die "eterwind" uitgestraal word, sal noodwendig vertraag word relatief tot 'n sein wat dieselfde afstand aflê, ook met weerkaatsing vanaf die spieël, maar in 'n loodregte rigting.
Om hierdie vertraging te registreer, is 'n toestel wat deur Michelson self uitgevind is, gebruik - 'n interferometer, waarvan die werking gebaseer is op die verskynsel van superposisie van koherente liggolwe. As een van die golwe vertraag word, sal die interferensiepatroon verskuif as gevolg van die gevolglike faseverskil.
Michelson se eerste eksperiment met spieëls en 'n interferometer het nie 'n ondubbelsinnige resultaat gelewer nie weens onvoldoende sensitiwiteit van die toestel en onderskatting van talle steurings (vibrasies) en het kritiek veroorsaak. Aansienlike verbetering in akkuraatheid was nodig.
Herhaalde ondervinding
In 1887 het die wetenskaplike die eksperiment saam met sy landgenoot Edward Morley herhaal. Hulle het 'n gevorderde opstelling gebruik en spesiale sorg gedra om die invloed van newefaktore uit te skakel.
Die kern van die ervaring het nie verander nie. Die ligstraal wat deur middel van 'n lens versamel is, het inval op 'n semi-deursigtige spieël wat teen 'n hoek van 45° gestel is. Hier het hy verdeel: een balk het deur die verdeler gedring, die tweede het in 'n loodregte rigting gegaan. Elkeen van die strale is dan deur 'n gewone plat spieël weerkaats, na die straalverdeler teruggekeer en dan die interferometer gedeeltelik getref. Die eksperimenteerders was vol vertroue in die bestaan van 'n "eteriese wind" en het verwag om 'n heeltemal meetbare verskuiwing van meer as 'n derde van die interferensierand te kry.
Dit was onmoontlik om die beweging van die sonnestelsel in die ruimte te verwaarloos, so die idee van die eksperiment het die vermoë ingesluit om die installasie te draai om die rigting van die "eteriese wind" te verfyn.
Om vibrasie-interferensie en vervorming van die prentjie te vermy wanneer die toestel gedraai word, is die hele struktuur op 'n massiewe klipblad geplaas met 'n houttoroidale vlotter wat in suiwer kwik dryf. Die fondasie onder die installasie is tot op die rots begrawe.
Eksperimentele resultate
Wetenskaplikes het noukeurige waarnemings deur die jaar gedoen en die plaat met die toestel kloksgewys en antikloksgewys gedraai. Die interferensiepatroon is in 16 rigtings aangeteken. En, ten spyte van die akkuraatheid ongekend vir sy era, het Michelson se eksperiment, wat in samewerking met Morley uitgevoer is, 'n negatiewe resultaat gelewer.
In-fase liggolwe wat die straalverdeler verlaat het sonder faseverskuiwing die eindstreep bereik. Dit is elke keer herhaal, op enige posisie van die interferometer, en het beteken dat die spoed van lig in Michelson se eksperiment onder geen omstandighede verander het nie.
Die nagaan van die resultate van die eksperiment is herhaaldelik uitgevoer, insluitend in die XX eeu, met behulp van laserinterferometers en mikrogolfresonators, wat 'n akkuraatheid van een tien biljoenste van die spoed van lig bereik het. Die resultaat van die ervaring bly onwrikbaar: hierdie waarde is onveranderd.
Die betekenis van die eksperiment
Uit die eksperimente van Michelson en Morley volg dit dat die "eteriese wind", en, gevolglik, hierdie ontwykende saak self eenvoudig nie bestaan nie. As enige fisiese voorwerp fundamenteel nie in enige prosesse opgespoor word nie, is dit gelykstaande aan die afwesigheid daarvan. Fisici, insluitend die skrywers van die briljant opgevoerde eksperiment, het nie dadelik die ineenstorting van die konsep van die eter, en daarmee saam die absolute verwysingsraamwerk, besef nie.
Net Albert Einstein het in 1905 daarin geslaag om 'n konsekwente en terselfdertyd revolusionêre nuwe verduideliking van die resultate van die eksperiment aan te bied. Met inagneming van hierdie resultate soos hulle is, sonder om spekulatiewe eter na hulle te probeer trek, het Einstein tot twee gevolgtrekkings gekom:
- Geen optiese eksperiment kan die reglynige en eenvormige beweging van die Aarde opspoor nie (die reg om dit as sodanig te beskou word gegee deur die kort duur van die waarnemingshandeling).
- Wat enige traagheidsverwysingsraamwerk betref, is die spoed van lig in 'n vakuum onveranderd.
Hierdie gevolgtrekkings (die eerste - in kombinasie met die Galilese relatiwiteitsbeginsel) het as basis gedien vir Einstein se formulering van sy beroemde postulate. Die Michelson-Morley-eksperiment het dus as 'n soliede empiriese basis vir die spesiale relatiwiteitsteorie gedien.
