V drugi polovici 19. stoletja so se fizični pogledi na naravo širjenja svetlobe, delovanje gravitacije in nekatere druge pojave vse bolj očitno začeli srečevati s težavami. Povezani so bili z eteričnim konceptom, ki prevladuje v znanosti. Zamisel o izvedbi eksperimenta, ki bi razrešil nakopičena nasprotja, je, kot pravijo, lebdela.
V osemdesetih letih 20. stoletja je bila postavljena vrsta eksperimentov, za tiste čase zelo zapletenih in subtilnih - Michelsonovi poskusi za preučevanje odvisnosti svetlobne hitrosti od smeri gibanja opazovalca. Preden se podrobneje posvetimo opisu in rezultatom teh slavnih eksperimentov, se je treba spomniti, kaj je bil koncept etra in kako je bila razumljena fizika svetlobe.
Pogledi iz 19. stoletja na naravo sveta
Na začetku stoletja je zmagala valovna teorija svetlobe, ki je prejela briljantne eksperimentalnepotrditev v delih Junga in Fresnela, kasneje pa - in teoretična utemeljitev v delu Maxwella. Svetloba je absolutno nedvomno pokazala valovne lastnosti, korpuskularna teorija pa je bila zakopana pod kupom dejstev, ki jih ni znala razložiti (oživela bi šele v začetku 20. stoletja na povsem novi podlagi).
Vendar si fizika tiste dobe ni mogla predstavljati širjenja vala drugače kot z mehanskimi vibracijami medija. Če je svetloba val in se lahko širi v vakuumu, potem znanstveniki niso imeli druge izbire, kot da domnevajo, da je vakuum napolnjen z določeno snovjo, zaradi njenih vibracij, ki vodijo svetlobne valove.
Sijajni eter
Skrivnostna snov, breztežna, nevidna, ni registrirana z nobeno napravo, se je imenovala eter. Michelsonov eksperiment je bil zasnovan le za potrditev dejstva njegove interakcije z drugimi fizičnimi objekti.
Hipoteze o obstoju eterične snovi sta izrekla Descartes in Huygens v 17. stoletju, vendar je postala nujna kot zrak v 19. stoletju, hkrati pa je privedla do nerešljivih paradoksov. Dejstvo je, da je moral eter za obstoj na splošno imeti medsebojno izključujoče ali na splošno fizično neresnične lastnosti.
Protislovja koncepta etra
Da bi se ujemal s sliko opazovanega sveta, mora biti svetleči eter popolnoma negiben - sicer bi bila ta slika nenehno popačena. Toda njegova nepremičnost je bila v nepremostljivem nasprotju z Maxwellovimi enačbami in načelomGalilejeva relativnost. Za njihovo ohranitev je bilo treba priznati, da eter odnašajo premikajoča se telesa.
Poleg tega je veljalo, da je eterična snov popolnoma trdna, neprekinjena in hkrati nikakor ne ovira gibanja teles po njej, nestisljiva in poleg tega ima prečno elastičnost, sicer ne bi prevajala elektromagnetnih valov. Poleg tega je bil eter zasnovan kot vseobsegajoča snov, ki pa se spet ne ujema z idejo o njegovi strasti.
Ideja in prva produkcija Michelsonovega eksperimenta
Ameriški fizik Albert Michelson se je začel zanimati za problem etra, ko je prebral Maxwellovo pismo, objavljeno po Maxwellovi smrti leta 1879, v katerem je v reviji Nature opisal neuspešen poskus odkrivanja gibanja Zemlje glede na eter..
Leta 1881 se je zgodil prvi Michelsonov eksperiment za določitev hitrosti svetlobe, ki se širi v različnih smereh glede na eter, opazovalca, ki se premika z Zemljo.
Zemlja, ki se giblje po orbiti, mora biti izpostavljena delovanju tako imenovanega eteričnega vetra - pojava, podobnega toku zraka, ki teče po gibljivem telesu. Monokromatski svetlobni žarek, usmerjen vzporedno s tem "vetrom", se bo premikal proti njemu, pri čemer bo nekoliko izgubil na hitrosti, in obratno (odsev od ogledala) v nasprotni smeri. Sprememba hitrosti je v obeh primerih enaka, vendar je dosežena v različnih časih: upočasnjeni "nasproti" snop bo potoval dlje. Torej svetlobni signaloddaja vzporedno z "eterskim vetrom" bo nujno zakasnjena glede na signal, ki potuje na enako razdaljo, tudi z odsevom od zrcala, vendar v pravokotni smeri.
Za registracijo te zamude je bila uporabljena naprava, ki jo je izumil sam Michelson - interferometer, katerega delovanje temelji na fenomenu superpozicije koherentnih svetlobnih valov. Če bi bil eden od valov zakasnjen, bi se interferenčni vzorec premaknil zaradi nastale fazne razlike.
Michelsonov prvi poskus z ogledali in interferometrom ni dal nedvoumnega rezultata zaradi nezadostne občutljivosti naprave in podcenjevanja številnih motenj (vibracij) in je povzročil kritiko. Potrebno je bilo znatno izboljšanje natančnosti.
Ponovljena izkušnja
Leta 1887 je znanstvenik ponovil poskus skupaj s svojim rojakom Edwardom Morleyjem. Uporabili so napredno nastavitev in posebno skrbeli za odpravo vpliva stranskih dejavnikov.
Bistvo izkušnje se ni spremenilo. Svetlobni žarek, zbran s pomočjo leče, je padal na polprozorno ogledalo, postavljeno pod kotom 45°. Tu je razdelil: en žarek je prodrl skozi delilnik, drugi je šel v pravokotni smeri. Vsak od žarkov je nato odbil navadno ploščato zrcalo, se vrnil v razdelilnik žarka in nato delno zadel v interferometer. Eksperimentatorji so bili prepričani v obstoj "eterskega vetra" in pričakovali so, da bodo dobili popolnoma merljiv premik za več kot tretjino interferenčnega roba.
Nemogoče je bilo zanemariti gibanje sončnega sistema v vesolju, zato je ideja eksperimenta vključevala možnost vrtenja instalacije, da bi natančno prilagodili smer "eteričnega vetra".
Da bi se izognili motnjam vibracij in popačenju slike pri obračanju naprave, je bila celotna konstrukcija postavljena na masivno kamnito ploščo z lesenim toroidnim plovcem, ki plava v čistem živem srebru. Temelj pod inštalacijo je bil zakopan v skalo.
Poskusni rezultati
Znanstveniki so skozi vse leto izvajali natančna opazovanja, pri čemer so ploščo z napravo vrteli v smeri urinega kazalca in v nasprotni smeri urinega kazalca. Interferenčni vzorec je bil posnet v 16 smereh. In kljub natančnosti brez primere za njegovo dobo je Michelsonov eksperiment, izveden v sodelovanju z Morleyjem, dal negativen rezultat.
Svetlobni valovi v fazi, ki zapuščajo cepilnik žarka, so dosegli ciljno črto brez faznega premika. To se je ponovilo vsakič, na katerem koli položaju interferometra, kar je pomenilo, da se hitrost svetlobe v Michelsonovem poskusu pod nobenim pogojem ni spremenila.
Preverjanje rezultatov eksperimenta je bilo večkrat izvedeno, tudi v XX stoletju, z laserskimi interferometri in mikrovalovnimi resonatorji, ki so dosegli natančnost ene desetmilijardne hitrosti svetlobe. Rezultat izkušnje ostaja neomajen: ta vrednost je nespremenjena.
Pomen poskusa
Iz eksperimentov Michelsona in Morleyja sledi, da "eterični veter" in posledično ta izmuzljiva snov sama preprosto ne obstaja. Če kateri koli fizični predmet v osnovi ni zaznan v nobenem procesu, je to enakovredno njegovi odsotnosti. Fiziki, vključno z avtorji sijajno uprizorjenega eksperimenta, niso takoj spoznali propada koncepta etra in s tem absolutnega referenčnega okvira.
Šele Albertu Einsteinu je leta 1905 uspelo predstaviti dosledno in hkrati revolucionarno novo razlago rezultatov eksperimenta. Glede na te rezultate takšne, kot so, ne da bi jim poskušal pritegniti špekulativni eter, je Einstein prišel do dveh zaključkov:
- Noben optični poskus ne more zaznati premočrtnega in enakomernega gibanja Zemlje (pravico, da ga obravnavamo kot takega, daje kratko trajanje opazovanja).
- Glede na kateri koli inercialni referenčni okvir je hitrost svetlobe v vakuumu nespremenjena.
Ti sklepi (prvi - v kombinaciji z galilejevim načelom relativnosti) so služili kot osnova za Einsteinovo formulacijo njegovih slavnih postulatov. Tako je eksperiment Michelson-Morley služil kot trdna empirična osnova za posebno teorijo relativnosti.