În a doua jumătate a secolului al XIX-lea, concepțiile fizice asupra naturii propagării luminii, a acțiunii gravitației și a altor fenomene au început să întâmpine din ce în ce mai clar dificultăți. Ele erau conectate cu conceptul eteric dominant în știință. Ideea de a efectua un experiment care să rezolve contradicțiile acumulate, după cum se spune, era în aer.
În anii 1880 s-au pus la cale o serie de experimente, foarte complexe și subtile pentru acele vremuri - experimentele lui Michelson pentru a studia dependența vitezei luminii de direcția de mișcare a observatorului. Înainte de a ne concentra mai detaliat asupra descrierii și rezultatelor acestor experimente celebre, este necesar să ne amintim care a fost conceptul de eter și cum a fost înțeleasă fizica luminii.
Vederi din secolul al XIX-lea despre natura lumii
La începutul secolului, teoria ondulatorie a luminii a triumfat, primind experimente strălucitoareconfirmare în lucrările lui Jung și Fresnel, iar mai târziu - și justificare teoretică în opera lui Maxwell. Lumina a prezentat absolut incontestabil proprietăți ondulatorii, iar teoria corpusculară a fost îngropată sub o grămadă de fapte pe care nu le-a putut explica (ar fi reînviată abia la începutul secolului al XX-lea pe o bază complet nouă).
Cu toate acestea, fizica acelei epoci nu putea imagina propagarea unei unde altfel decât prin vibrațiile mecanice ale unui mediu. Dacă lumina este o undă și este capabilă să se propage în vid, atunci oamenii de știință nu au avut de ales decât să presupună că vidul este umplut cu o anumită substanță, datorită vibrațiilor sale conducând undele luminoase.
Eter luminos
Substanța misterioasă, lipsită de greutate, invizibilă, neînregistrată de niciun dispozitiv, se numea eter. Experimentul lui Michelson a fost conceput doar pentru a confirma interacțiunea sa cu alte obiecte fizice.
Ipotezele despre existența materiei eterice au fost exprimate de Descartes și Huygens în secolul al XVII-lea, dar a devenit necesară ca aer în secolul al XIX-lea și, în același timp, a dus la paradoxuri insolubile. Cert este că, pentru a exista în general, eterul trebuia să aibă calități care se exclud reciproc sau, în general, fizic ireale.
Contractii de concept eter
Pentru a se potrivi cu imaginea lumii observate, eterul luminifer trebuie să fie absolut nemișcat - altfel această imagine ar fi în mod constant distorsionată. Dar imobilitatea lui era în conflict ireconciliabil cu ecuațiile lui Maxwell și cu principiulrelativitatea galileană. De dragul păstrării lor, a fost necesar să admitem că eterul este purtat de corpurile în mișcare.
De altfel, materia eterică era considerată a fi absolut solidă, continuă și în același timp care nu împiedică în niciun fel mișcarea corpurilor prin ea, incompresibilă și, în plus, posedă elasticitate transversală, altfel nu ar conduce unde electromagnetice. În plus, eterul a fost conceput ca o substanță omniprezentă, care, din nou, nu se potrivește bine cu ideea pasiunii sale.
Ideea și prima producție a experimentului lui Michelson
Fizicianul american Albert Michelson a devenit interesat de problema eterului după ce a citit scrisoarea lui Maxwell, publicată după moartea lui Maxwell în 1879, care descrie o încercare nereușită de a detecta mișcarea Pământului în raport cu eterul în revista Nature..
În 1881, a avut loc primul experiment al lui Michelson pentru a determina viteza luminii care se propagă în diferite direcții în raport cu eterul, un observator mișcându-se cu Pământul.
Pământul, aflat în mișcare pe orbită, trebuie supus acțiunii așa-numitului vânt eteric - un fenomen asemănător cu fluxul de aer care rulează pe un corp în mișcare. Un fascicul de lumină monocromatic îndreptat paralel cu acest „vânt” se va deplasa spre acesta, pierzând puțin în viteză și invers (reflectându-se din oglindă) în direcția opusă. Modificarea vitezei în ambele cazuri este aceeași, dar se realizează în timpi diferiți: fasciculul încetinit „care se apropie” va dura mai mult pentru a se deplasa. Deci semnalul luminosemis paralel cu „vântul eteric” va fi neapărat întârziat în raport cu un semnal care parcurge aceeași distanță, tot cu reflectare din oglindă, dar într-o direcție perpendiculară.
Pentru înregistrarea acestei întârzieri a fost folosit un dispozitiv inventat chiar de Michelson - un interferometru, a cărui funcționare se bazează pe fenomenul de suprapunere a undelor luminoase coerente. Dacă una dintre unde a fost întârziată, modelul de interferență s-ar schimba din cauza diferenței de fază rezultată.
Primul experiment al lui Michelson cu oglinzi și un interferometru nu a dat un rezultat clar din cauza sensibilității insuficiente a dispozitivului și a subestimării a numeroase interferențe (vibrații) și a provocat critici. A fost necesară o îmbunătățire semnificativă a preciziei.
Experiență repetată
În 1887, omul de știință a repetat experimentul împreună cu compatriotul său Edward Morley. Au folosit o configurație avansată și au avut o grijă deosebită pentru a elimina influența factorilor secundari.
Esența experienței nu s-a schimbat. Fasciculul de lumină colectat cu ajutorul unei lentile a fost incident pe o oglindă semitransparentă fixată la un unghi de 45°. Aici a împărțit: o grindă a pătruns prin separator, a doua a mers într-o direcție perpendiculară. Fiecare dintre fascicule a fost apoi reflectat de o oglindă plată obișnuită, revenit la separatorul de fascicul și apoi a lovit parțial interferometrul. Experimentatorii erau încrezători în existența unui „vânt eteric” și se așteptau să obțină o schimbare complet măsurabilă de mai mult de o treime din marginea de interferență.
A fost imposibil să neglijăm mișcarea sistemului solar în spațiu, așa că ideea experimentului a inclus capacitatea de a roti instalația pentru a regla fin direcția „vântului eteric”.
Pentru a evita interferența vibrațiilor și distorsiunea imaginii la întoarcerea dispozitivului, întreaga structură a fost așezată pe o placă masivă de piatră cu un plutitor toroidal din lemn care plutește în mercur pur. Fundația de sub instalație a fost îngropată pe stâncă.
Rezultate experimentale
Oamenii de știință au efectuat observații atente pe tot parcursul anului, rotind placa cu dispozitivul în sensul acelor de ceasornic și în sens invers acelor de ceasornic. Modelul de interferență a fost înregistrat în 16 direcții. Și, în ciuda acurateței fără precedent pentru epoca sa, experimentul lui Michelson, realizat în colaborare cu Morley, a dat un rezultat negativ.
Undele luminoase în fază care părăsesc separatorul de fascicul au ajuns la linia de sosire fără schimbare de fază. Acest lucru s-a repetat de fiecare dată, în orice poziție a interferometrului și a însemnat că viteza luminii în experimentul lui Michelson nu s-a schimbat sub nicio circumstanță.
Verificarea rezultatelor experimentului a fost efectuată în mod repetat, inclusiv în secolul XX, folosind interferometre laser și rezonatoare cu microunde, atingând o precizie de o zece miliarde din viteza luminii. Rezultatul experienței rămâne de neclintit: această valoare este neschimbată.
Semnificația experimentului
Din experimentele lui Michelson și Morley rezultă că „vântul eteric” și, în consecință, această materie evazivă în sine pur și simplu nu există. Dacă orice obiect fizic nu este detectat în mod fundamental în niciun proces, aceasta echivalează cu absența lui. Fizicienii, inclusiv autorii experimentului pus în scenă, nu și-au dat seama imediat de prăbușirea conceptului de eter și, odată cu acesta, a cadrului absolut de referință.
Doar Albert Einstein în 1905 a reușit să prezinte o nouă explicație consistentă și în același timp revoluționară a rezultatelor experimentului. Considerând aceste rezultate așa cum sunt, fără a încerca să le atragă eterul speculativ, Einstein a ajuns la două concluzii:
- Niciun experiment optic nu poate detecta mișcarea rectilinie și uniformă a Pământului (dreptul de a-l considera ca atare este dat de durata scurtă a actului de observație).
- În ceea ce privește orice cadru de referință inerțial, viteza luminii în vid este neschimbată.
Aceste concluzii (prima - în combinație cu principiul relativității galilean) au servit drept bază pentru formularea de către Einstein a celebrelor sale postulate. Deci experimentul Michelson-Morley a servit drept bază empirică solidă pentru teoria relativității speciale.
