През втората половина на 19-ти век физическите възгледи за естеството на разпространението на светлината, действието на гравитацията и някои други явления все по-ясно започват да срещат трудности. Те бяха свързани с господстващото в науката ефирно понятие. Идеята за провеждане на експеримент, който да разреши натрупаните противоречия, както се казва, витаеше във въздуха.
През 80-те години на миналия век е поставена серия от експерименти, много сложни и фини за онези времена - експерименти на Майкълсън за изследване на зависимостта на скоростта на светлината от посоката на движение на наблюдателя. Преди да се спрем по-подробно на описанието и резултатите от тези известни експерименти, е необходимо да си припомним какво е понятието за етер и как се разбира физиката на светлината.
възгледи от 19-ти век за природата на света
В началото на века вълновата теория на светлината триумфира, получавайки блестящи експерименталнипотвърждение в трудовете на Юнг и Френел, а по-късно - и теоретично обосновка в работата на Максуел. Светлината абсолютно безспорно проявява вълнови свойства и корпускулярната теория е заровена под купчина факти, които не може да обясни (тя ще бъде възродена едва в началото на 20-ти век на напълно нова основа).
Въпреки това, физиката от онази епоха не можеше да си представи разпространението на вълна по друг начин, освен чрез механичните вибрации на среда. Ако светлината е вълна и е в състояние да се разпространява във вакуум, тогава учените нямаха друг избор, освен да приемат, че вакуумът е изпълнен с определено вещество, поради вибрациите му, провеждащи светлинни вълни.
Светещ етер
Тайнственото вещество, безтегловно, невидимо, нерегистрирано от никакви устройства, се наричаше етер. Експериментът на Майкълсън беше предназначен само да потвърди факта на неговото взаимодействие с други физически обекти.
Хипотезите за съществуването на ефирна материя са изразени от Декарт и Хюйгенс през 17-ти век, но тя става необходима като въздух през 19-ти век и в същото време води до неразрешими парадокси. Факт е, че за да съществува като цяло, етерът трябваше да има взаимно изключващи се или най-общо физически нереални качества.
Противоречия на концепцията за етер
За да съответства на картината на наблюдавания свят, светещият етер трябва да бъде абсолютно неподвижен - в противен случай тази картина би била постоянно изкривена. Но неговата неподвижност беше в непримирим конфликт с уравненията и принципа на МаксуелГалилеева относителност. За тяхното запазване беше необходимо да се признае, че етерът се унася от движещи се тела.
Освен това се смяташе, че ефирната материя е абсолютно твърда, непрекъсната и в същото време по никакъв начин не пречи на движението на тела през нея, несвиваема и освен това притежаваща напречна еластичност, в противен случай не би провеждала електромагнитни вълни. Освен това етерът е замислен като всепроникваща субстанция, която отново не се вписва добре в идеята за неговата страст.
Идеята и първата продукция на експеримента на Майкълсън
Американският физик Алберт Майкълсън се заинтересува от проблема с етера, след като прочете писмото на Максуел, публикувано след смъртта на Максуел през 1879 г., описващо неуспешен опит за откриване на движението на Земята спрямо етера в списание Nature..
През 1881 г. се провежда първият експеримент на Майкълсън за определяне на скоростта на светлината, разпространяваща се в различни посоки спрямо етера, наблюдател, движещ се със Земята.
Земята, движеща се в орбита, трябва да бъде подложена на действието на т. нар. ефирен вятър - явление, подобно на въздушния поток, който тече върху движещо се тяло. Монохроматичен светлинен лъч, насочен успоредно на този „вятър“, ще се движи към него, губейки малко в скоростта и обратно (отразявайки се от огледалото) в обратна посока. Промяната в скоростта и в двата случая е една и съща, но се постига в различно време: забавеният "насрещнат" лъч ще отнеме повече време за пътуване. Значи светлинният сигнализлъчван успоредно на "етерния вятър" непременно ще бъде забавен спрямо сигнал, пътуващ на същото разстояние, също с отражение от огледалото, но в перпендикулярна посока..
За регистриране на това забавяне е използвано устройство, изобретено от самия Майкелсън - интерферометър, чиято работа се основава на феномена на суперпозиция на кохерентни светлинни вълни. Ако една от вълните се забави, интерференционният модел ще се измести поради получената фазова разлика.
Първият експеримент на Мишелсън с огледала и интерферометър не даде еднозначен резултат поради недостатъчна чувствителност на устройството и подценяване на многобройните смущения (вибрации) и предизвика критики. Изисква се значително подобрение на точността.
Повтарящо се преживяване
През 1887 г. ученият повтаря експеримента заедно със своя сънародник Едуард Морли. Те използваха усъвършенствана настройка и положиха специални грижи, за да премахнат влиянието на страничните фактори.
Същността на преживяването не се е променила. Светлинният лъч, събран с помощта на леща, пада върху полупрозрачно огледало, поставено под ъгъл от 45°. Тук той раздели: единият лъч проникна през разделителя, вторият отиде в перпендикулярна посока. След това всеки от лъчите се отразява от обикновено плоско огледало, връща се към разделителя на лъча и след това частично се удря в интерферометъра. Експериментаторите бяха уверени в съществуването на „ефирен вятър“и очакваха да получат напълно измеримо изместване от повече от една трета от интерференционната граница.
Беше невъзможно да се пренебрегне движението на Слънчевата система в космоса, така че идеята на експеримента включваше възможността за завъртане на инсталацията с цел фина настройка на посоката на "ефирния вятър".
За да се избегнат вибрационни смущения и изкривяване на картината при завъртане на устройството, цялата конструкция е поставена върху масивна каменна плоча с дървена тороидална плувка, плаваща в чист живак. Основата под инсталацията е заровена в скалата.
Експериментални резултати
Учените провеждаха внимателни наблюдения през цялата година, като въртяха плочата с устройството по посока на часовниковата стрелка и обратно на часовниковата стрелка. Интерференционната картина е записана в 16 посоки. И въпреки безпрецедентната за неговата епоха точност, експериментът на Майкълсън, проведен в сътрудничество с Морли, даде отрицателен резултат.
Фазовите светлинни вълни, напускащи разделителя на лъча, достигнаха финалната линия без фазово изместване. Това се повтаряше всеки път на всяка позиция на интерферометъра и означаваше, че скоростта на светлината в експеримента на Майкълсън не се променя при никакви обстоятелства.
Проверката на резултатите от експеримента се извършва многократно, включително през XX век, с помощта на лазерни интерферометри и микровълнови резонатори, достигайки точност до една десет милиардна от скоростта на светлината. Резултатът от преживяването остава непоклатим: тази стойност е непроменена.
Смисълът на експеримента
От експериментите на Майкълсън и Морли следва, че "ефирният вятър", а следователно и тази неуловима материя просто не съществува. Ако някакъв физически обект по същество не се открива в никакви процеси, това е равносилно на неговото отсъствие. Физиците, включително авторите на брилянтно поставения експеримент, не осъзнават веднага срива на концепцията за етера, а с него и на абсолютната референтна рамка.
Единствено Алберт Айнщайн през 1905 г. успява да представи последователно и в същото време революционно ново обяснение на резултатите от експеримента. Разглеждайки тези резултати такива, каквито са, без да се опитва да привлече спекулативен етер към тях, Айнщайн стигна до две заключения:
- Никой оптичен експеримент не може да открие праволинейното и равномерно движение на Земята (правото да се разглежда като такова се дава от кратката продължителност на акта на наблюдение).
- По отношение на всяка инерционна референтна система скоростта на светлината във вакуум е непроменена.
Тези заключения (първите - в комбинация с принципа на относителността на Галилей) послужиха като основа за формулирането на Айнщайн на неговите известни постулати. Така експериментът на Майкълсън-Морли послужи като солидна емпирична основа за специалната теория на относителността.
