A 19. század második felében a fény terjedésének természetéről, a gravitáció hatásáról és néhány más jelenségről alkotott fizikai nézetek egyre egyértelműbben nehézségekbe ütköztek. A tudományban uralkodó éteri fogalomhoz kapcsolódtak. A felgyülemlett ellentmondásokat feloldó kísérlet lebonyolításának gondolata, ahogy mondani szokás, ott volt a levegőben.
Az 1880-as években egy sor kísérletet állítottak fel, amelyek nagyon összetettek és finomak voltak az időkhöz képest – Michelson kísérletei a fénysebesség és a megfigyelő mozgási irányától való függésének tanulmányozására. Mielőtt részletesebben foglalkoznánk e híres kísérletek leírásával és eredményeivel, fel kell idéznünk, mi volt az éter fogalma, és hogyan értelmezték a fény fizikáját.
19. századi nézetek a világ természetéről
A század elején a fény hullámelmélete diadalmaskodott, és briliáns kísérleti eredményeket kapottmegerősítés Jung és Fresnel munkáiban, később pedig - és elméleti indoklás Maxwell munkásságában. A fény tagadhatatlanul hullámtulajdonságokat mutatott, és a korpuszkuláris elmélet olyan tények halmaza alá temetett, amelyeket nem tudott megmagyarázni (csak a XX. század elején elevenítik fel teljesen új alapon).
A korszak fizikája azonban nem tudta elképzelni egy hullám terjedését másként, mint egy közeg mechanikai rezgésein keresztül. Ha a fény hullám, és vákuumban is képes terjedni, akkor a tudósoknak nem volt más választásuk, mint azt feltételezni, hogy a vákuumot egy bizonyos anyag tölti meg, annak fényhullámokat vezető rezgései miatt.
Luminosus Aether
A súlytalan, láthatatlan, semmilyen eszközzel nem regisztrált titokzatos anyagot éternek hívták. Michelson kísérletét csak arra tervezték, hogy megerősítse más fizikai objektumokkal való kölcsönhatás tényét.
Az éteri anyag létezésével kapcsolatos hipotéziseket Descartes és Huygens fogalmazta meg a 17. században, de a 19. században levegőként vált szükségessé, és egyben feloldhatatlan paradoxonokhoz vezetett. A tény az, hogy az éternek ahhoz, hogy általánosságban létezhessen, egymást kölcsönösen kizáró, vagy általában fizikailag valótlan tulajdonságokkal kell rendelkeznie.
Az éter-koncepció ellentmondásai
A megfigyelt világ képéhez igazodva a világító éternek teljesen mozdulatlannak kell lennie - különben ez a kép folyamatosan torzulna. De mozdulatlansága kibékíthetetlen ellentétbe került Maxwell egyenleteivel és elvévelGalilei relativitáselmélet. Megtartásuk érdekében el kellett ismerni, hogy az étert mozgó testek viszik el.
Emellett az éteri anyagot abszolút szilárdnak, folytonosnak, ugyanakkor a testek áthaladását semmiképpen sem akadályozónak gondolták, összenyomhatatlannak, ráadásul keresztirányú rugalmassággal is rendelkezik, különben nem vezetne elektromágneses hullámokat. Ezenkívül az étert egy mindent átható anyagként fogták fel, ami megint csak nem illik jól szenvedélyének gondolatához.
Michelson kísérletének ötlete és első produkciója
Albert Michelson amerikai fizikus az éterprobléma iránt érdeklődni kezdett, miután elolvasta Maxwell 1879-es halála után megjelent levelét, amelyben a Nature folyóiratban leír egy sikertelen kísérletet a Föld mozgásának észlelésére az éterhez képest.
1881-ben történt Michelson első kísérlete a különböző irányokban terjedő fény sebességének meghatározására az éterhez, a Földdel együtt mozgó megfigyelőhöz képest.
A pályán mozgó Földet az úgynevezett éteri szél hatásának kell kitenni – ez a jelenség hasonló a mozgó testen futó levegő áramlásához. Ezzel a „széllel” párhuzamosan irányított monokromatikus fénysugár feléje mozdul, kissé veszít a sebességéből, és fordítva (a tükörről visszaverve) az ellenkező irányba. A sebességváltozás mindkét esetben azonos, de más-más időpontban érhető el: a lelassult „szembejövő” sugár tovább halad. Tehát a fényjelzésAz "éterszéllel" párhuzamosan kibocsátott jel szükségszerűen késik az azonos távolságot megtett jelhez képest, a tükörről való visszaverődéssel is, de merőleges irányban.
E késleltetés regisztrálásához egy Michelson által feltalált eszközt használtak - egy interferométert, amelynek működése a koherens fényhullámok szuperpozícióján alapul. Ha az egyik hullám késik, az interferenciamintázat eltolódik a keletkező fáziskülönbség miatt.
Michelson első kísérlete tükrökkel és interferométerrel nem adott egyértelmű eredményt a készülék elégtelen érzékenysége és a számos interferencia (rezgés) alábecsülése miatt, és kritikát váltott ki. A pontosság jelentős javítására volt szükség.
Ismétlődő élmény
1887-ben a tudós megismételte a kísérletet honfitársával, Edward Morley-val. Speciális beállítást használtak, és különös gondot fordítottak a melléktényezők hatásának kiküszöbölésére.
Az élmény lényege nem változott. A lencsével összegyűjtött fénysugár egy 45°-os szögben beállított félig átlátszó tükörre esett. Itt osztott: az egyik sugár áthatolt az elválasztón, a másik merőlegesen ment. Ezután mindegyik sugarat egy közönséges lapos tükör visszaverte, visszakerült a sugárosztóba, majd részben eltalálta az interferométert. A kísérletezők bíztak az "éteri szél" létezésében, és arra számítottak, hogy az interferenciaperem több mint egyharmadával teljesen mérhető eltolódást fognak elérni.
Lehetetlen volt figyelmen kívül hagyni a Naprendszer térbeli mozgását, így a kísérlet ötlete magában fogl alta az installáció elforgatásának lehetőségét az "éteri szél" irányának finomhangolása érdekében.
A vibrációs interferencia és a kép torzulásának elkerülése érdekében a készülék elfordítása során a teljes szerkezetet egy masszív kőlapra helyezték, amelyen egy tiszta higanyban úszó, toroid alakú úszó is volt. Az installáció alatti alapot a sziklához temették.
Kísérleti eredmények
A tudósok az év során gondos megfigyeléseket végeztek, és a lemezt az óramutató járásával megegyező és ellentétes irányba forgatták a készülékkel. Az interferenciamintát 16 irányban rögzítették. És a korában példátlan pontosság ellenére Michelson Morley-val együttműködve végzett kísérlete negatív eredményt hozott.
A sugárosztót elhagyó, azonos fázisú fényhullámok fáziseltolódás nélkül értek el a célba. Ez minden alkalommal megismétlődött, az interferométer bármely pozíciójában, és azt jelentette, hogy Michelson kísérletében a fénysebesség semmilyen körülmények között nem változott.
A kísérlet eredményeit többször is ellenőrizték, többek között a XX. században is, lézeres interferométerekkel és mikrohullámú rezonátorokkal, a fénysebesség tízmilliárd részét elérve. Az élmény eredménye megingathatatlan marad: ez az érték változatlan.
A kísérlet jelentése
Michelson és Morley kísérleteiből az következik, hogy az "éteri szél", következésképpen maga ez a megfoghatatlan anyag egyszerűen nem létezik. Ha egy fizikai objektumot alapvetően nem észlelünk egyetlen folyamatban sem, az egyenértékű annak hiányával. A fizikusok, köztük a zseniálisan megrendezett kísérlet szerzői, nem vették azonnal észre az éter fogalmának, és ezzel együtt az abszolút vonatkoztatási keretnek az összeomlását.
Csak Albert Einsteinnek sikerült 1905-ben következetes és egyben forradalmian új magyarázatot adnia a kísérlet eredményeiről. Ezeket az eredményeket úgy tekintve, ahogy vannak, anélkül, hogy spekulatív étert próbált volna vonni beléjük, Einstein két következtetésre jutott:
- Egyetlen optikai kísérlet sem képes kimutatni a Föld egyenes vonalú és egyenletes mozgását (a megfigyelési cselekmény rövid időtartama adja a jogot, hogy ilyennek tekintsük).
- A tehetetlenségi vonatkoztatási rendszert tekintve a fény sebessége vákuumban változatlan.
Ezek a következtetések (az első – a galilei relativitáselvvel kombinálva) szolgáltak alapul Einstein híres posztulátumainak megfogalmazásához. Tehát a Michelson-Morley-kísérlet szilárd empirikus alapként szolgált a speciális relativitáselmélethez.
