19. gadsimta otrajā pusē fiziski uzskati par gaismas izplatīšanās raksturu, gravitācijas darbību un dažām citām parādībām arvien skaidrāk sāka saskarties ar grūtībām. Tie bija saistīti ar zinātnē dominējošo ēterisko jēdzienu. Kā saka, gaisā virmoja ideja veikt eksperimentu, kas atrisinātu uzkrātās pretrunas.
1880. gados tika izveidota virkne eksperimentu, kas tiem laikiem bija ļoti sarežģīti un smalki – Miķelsona eksperimenti, lai pētītu gaismas ātruma atkarību no novērotāja kustības virziena. Pirms sīkāk pakavēties pie šo slaveno eksperimentu apraksta un rezultātiem, ir jāatgādina, kas bija ētera jēdziens un kā tika saprasta gaismas fizika.
19. gadsimta uzskati par pasaules dabu
Gadsimta sākumā triumfēja gaismas viļņu teorija, saņemot izcilus eksperimentusapstiprinājums Junga un Fresnela darbos, vēlāk - un teorētiskais pamatojums Maksvela darbā. Gaismai absolūti nenoliedzami bija viļņu īpašības, un korpuskulārā teorija tika aprakta zem faktu kaudzes, ko tā nevarēja izskaidrot (to atdzīvinātu tikai 20. gadsimta sākumā uz pilnīgi jauna pamata).
Tomēr šī laikmeta fizika nevarēja iedomāties viļņa izplatīšanos citādi, kā tikai caur vides mehāniskām vibrācijām. Ja gaisma ir vilnis un tā spēj izplatīties vakuumā, tad zinātniekiem nekas cits neatlika, kā pieņemt, ka vakuums ir piepildīts ar noteiktu vielu, pateicoties tās vibrācijām, kas vada gaismas viļņus.
Luminous Aether
Noslēpumainā viela, bezsvara, neredzama, kuru nereģistrēja nekādas ierīces, sauca par ēteri. Miķelsona eksperiments tika izveidots, lai apstiprinātu tā mijiedarbības faktu ar citiem fiziskiem objektiem.
Hipotēzes par ēteriskās matērijas esamību 17. gadsimtā izteica Dekarts un Haigenss, bet 19. gadsimtā tā kļuva nepieciešama kā gaiss, un vienlaikus noveda pie nešķīstošiem paradoksiem. Fakts ir tāds, ka, lai ēteris pastāvētu kopumā, tam bija jābūt savstarpēji izslēdzošām vai kopumā fiziski nereālām īpašībām.
Ētera koncepcijas pretrunas
Lai atbilstu novērotās pasaules attēlam, gaismojošajam ēterim ir jābūt absolūti nekustīgam - pretējā gadījumā šis attēls tiktu pastāvīgi izkropļots. Taču viņa nekustīgums bija nesamierināmā pretrunā ar Maksvela vienādojumiem un principuGalilejas relativitāte. To saglabāšanas labad bija jāatzīst, ka ēteri aiznes kustīgi ķermeņi.
Turklāt tika uzskatīts, ka ēteriskā matērija ir absolūti cieta, nepārtraukta un tajā pašā laikā nekādā veidā netraucē ķermeņu kustību caur to, nesaspiežama un turklāt tai piemīt šķērselastība, pretējā gadījumā tā nevadītu elektromagnētiskos viļņus. Turklāt ēteris tika iecerēts kā visu caurstrāvojoša viela, kas atkal neatbilst idejai par viņa aizraušanos.
Mihelsona eksperimenta ideja un pirmais iestudējums
Amerikāņu fiziķis Alberts Miķelsons sāka interesēties par ētera problēmu pēc tam, kad bija izlasījis Maksvela vēstuli, kas publicēta pēc Maksvela nāves 1879. gadā un kurā žurnālā Nature aprakstīts neveiksmīgs mēģinājums noteikt Zemes kustību attiecībā pret ēteri.
1881. gadā notika Miķelsona pirmais eksperiments, lai noteiktu dažādos virzienos izplatošās gaismas ātrumu attiecībā pret ēteri, novērotāju, kas pārvietojas kopā ar Zemi.
Zeme, kustoties pa orbītu, ir jāpakļauj tā sauktā ēteriskā vēja darbībai - parādībai, kas līdzīga gaisa plūsmai, kas plūst pa kustīgu ķermeni. Šim “vējam” paralēli virzīts monohromatisks gaismas stars virzīsies uz to, nedaudz zaudējot ātrumu, un otrādi (atspoguļojot no spoguļa) pretējā virzienā. Ātruma izmaiņas abos gadījumos ir vienādas, taču tās tiek panāktas dažādos laikos: palēninātajam "pretimnākošajam" staram būs nepieciešams ilgāks ceļš. Tātad gaismas signālsizstarots paralēli "ētera vējam", noteikti tiks aizkavēts attiecībā pret signālu, kas virzās tādā pašā attālumā, arī ar atstarošanu no spoguļa, bet perpendikulārā virzienā.
Šīs aizkaves reģistrēšanai tika izmantota paša Miķelsona izgudrotā iekārta - interferometrs, kura darbības pamatā ir koherentu gaismas viļņu superpozīcijas fenomens. Ja kāds no viļņiem tiktu aizkavēts, traucējumu modelis mainītos radušās fāzes starpības dēļ.
Mišelsona pirmais eksperiments ar spoguļiem un interferometru nedeva nepārprotamu rezultātu ierīces nepietiekamas jutības un daudzo traucējumu (vibrāciju) nenovērtēšanas dēļ un izraisīja kritiku. Bija nepieciešams ievērojams precizitātes uzlabojums.
Atkārtota pieredze
1887. gadā zinātnieks eksperimentu atkārtoja kopā ar savu tautieti Edvardu Morliju. Viņi izmantoja papildu iestatījumus un īpaši rūpējās, lai novērstu blakus faktoru ietekmi.
Pieredzes būtība nav mainījusies. Gaismas stars, kas savākts ar objektīva palīdzību, krita uz daļēji caurspīdīgu spoguli, kas novietots 45 ° leņķī. Šeit viņš sadalījās: viens stars iekļuva caur sadalītāju, otrs devās perpendikulārā virzienā. Pēc tam katru no stariem atstaroja parasts plakans spogulis, atgriezās staru sadalītājā un pēc tam daļēji skāra interferometru. Eksperimenta veicēji bija pārliecināti, ka pastāv "ēterisks vējš", un paredzēja, ka viņi iegūs pilnībā izmērāmu nobīdi par vairāk nekā trešdaļu no interferences robežas.
Nevarēja atstāt novārtā Saules sistēmas kustību kosmosā, tāpēc eksperimenta ideja ietvēra iespēju pagriezt instalāciju, lai precīzi noregulētu "ēteriskā vēja" virzienu.
Lai izvairītos no vibrācijas traucējumiem un attēla izkropļojumiem, pagriežot ierīci, visa konstrukcija tika novietota uz masīvas akmens plāksnes ar koka toroidālu pludiņu, kas peldēja tīrā dzīvsudrabā. Pamati zem instalācijas tika aprakti līdz klints.
Eksperimentālie rezultāti
Zinātnieki veica rūpīgus novērojumus visa gada garumā, griežot plāksni ar ierīci pulksteņrādītāja virzienā un pretēji pulksteņrādītāja virzienam. Interferences modelis tika reģistrēts 16 virzienos. Un, neskatoties uz viņa laikmetā nepieredzētu precizitāti, Miķelsona eksperiments, kas tika veikts sadarbībā ar Morliju, deva negatīvu rezultātu.
Fāzes gaismas viļņi, kas atstāj staru sadalītāju, sasniedza finiša līniju bez fāzes nobīdes. Tas atkārtojās katru reizi jebkurā interferometra pozīcijā, un tas nozīmēja, ka Miķelsona eksperimentā gaismas ātrums nemainījās nekādā gadījumā.
Eksperimenta rezultātu pārbaude tika veikta atkārtoti, tostarp XX gadsimtā, izmantojot lāzera interferometrus un mikroviļņu rezonatorus, sasniedzot precizitāti līdz desmit miljardajai daļai no gaismas ātruma. Pieredzes rezultāts paliek nesatricināms: šī vērtība nemainās.
Eksperimenta nozīme
No Miķelsona un Morlija eksperimentiem izriet, ka "ēteriskais vējš" un līdz ar to arī pati šī netveramā matērija vienkārši neeksistē. Ja kāds fizisks objekts būtībā netiek atklāts nevienā procesā, tas ir līdzvērtīgs tā trūkumam. Fiziķi, tostarp izcili iestudētā eksperimenta autori, ne uzreiz saprata ētera jēdziena un līdz ar to absolūtās atskaites sistēmas sabrukumu.
Tikai Albertam Einšteinam 1905. gadā izdevās sniegt konsekventu un tajā pašā laikā revolucionāri jaunu eksperimenta rezultātu skaidrojumu. Ņemot vērā šos rezultātus tādus, kādi tie ir, nemēģinot tiem piesaistīt spekulatīvu ēteri, Einšteins nonāca pie diviem secinājumiem:
- Neviens optiskais eksperiments nevar noteikt Zemes taisnvirziena un vienmērīgu kustību (tiesības to uzskatīt par tādu dod īsais novērošanas akta ilgums).
- Attiecībā uz jebkuru inerciālo atskaites sistēmu gaismas ātrums vakuumā nemainās.
Šie secinājumi (pirmie – savienojumā ar Galilejas relativitātes principu) kalpoja par pamatu Einšteina slaveno postulātu formulējumam. Tātad Miķelsona-Morlija eksperiments kalpoja par stabilu empīrisku pamatu īpašajai relativitātes teorijai.
