Pada separuh kedua abad ke-19, pandangan fizikal tentang sifat penyebaran cahaya, tindakan graviti dan beberapa fenomena lain semakin jelas mula menghadapi kesukaran. Mereka dikaitkan dengan konsep halus yang mendominasi dalam sains. Idea untuk menjalankan eksperimen yang akan menyelesaikan percanggahan terkumpul, seperti yang mereka katakan, muncul di udara.
Pada tahun 1880-an, satu siri eksperimen telah disediakan, sangat kompleks dan halus pada masa itu - eksperimen Michelson untuk mengkaji pergantungan kelajuan cahaya pada arah gerakan pemerhati. Sebelum membincangkan dengan lebih terperinci tentang huraian dan keputusan eksperimen terkenal ini, adalah perlu untuk mengingati semula konsep aether dan bagaimana fizik cahaya difahami.
pandangan abad ke-19 tentang alam semula jadi
Pada awal abad ini, teori gelombang cahaya berjaya, menerima percubaan yang cemerlangpengesahan dalam karya Jung dan Fresnel, dan kemudian - dan justifikasi teori dalam karya Maxwell. Cahaya benar-benar tidak dapat dinafikan mempamerkan sifat gelombang, dan teori korpuskular telah terkubur di bawah timbunan fakta yang tidak dapat dijelaskan (ia hanya akan dihidupkan semula pada awal abad ke-20 berdasarkan asas yang benar-benar baru).
Namun, fizik zaman itu tidak dapat membayangkan perambatan gelombang sebaliknya melalui getaran mekanikal medium. Jika cahaya ialah gelombang, dan ia mampu merambat dalam vakum, maka saintis tidak mempunyai pilihan selain menganggap bahawa vakum itu diisi dengan bahan tertentu, disebabkan getarannya yang menghantar gelombang cahaya.
Luminous Aether
Bahan misteri, tanpa berat, tidak kelihatan, tidak didaftarkan oleh mana-mana peranti, dipanggil eter. Percubaan Michelson hanya direka untuk mengesahkan fakta interaksinya dengan objek fizikal lain.
Hipotesis tentang kewujudan jirim halus telah dinyatakan oleh Descartes dan Huygens pada abad ke-17, tetapi ia menjadi perlu kerana udara pada abad ke-19, dan pada masa yang sama membawa kepada paradoks yang tidak larut. Hakikatnya ialah untuk wujud secara umum, eter harus mempunyai kualiti yang saling eksklusif atau, secara amnya, tidak nyata secara fizikal.
Percanggahan konsep eter
Untuk memadankan gambar dunia yang diperhatikan, eter bercahaya mestilah tidak bergerak sama sekali - jika tidak, gambar ini akan sentiasa diherotkan. Tetapi imobilitasnya berada dalam konflik yang tidak dapat didamaikan dengan persamaan dan prinsip Maxwellrelativiti Galilea. Demi pemeliharaan mereka, adalah perlu untuk mengakui bahawa eter terbawa-bawa oleh jasad yang bergerak.
Selain itu, jirim halus dianggap benar-benar pepejal, berterusan dan pada masa yang sama sama sekali tidak menghalang pergerakan jasad melaluinya, tidak boleh mampat dan, lebih-lebih lagi, mempunyai keanjalan melintang, jika tidak, ia tidak akan menghantar gelombang elektromagnet. Di samping itu, eter telah difikirkan sebagai bahan yang meluas, yang, sekali lagi, tidak sesuai dengan idea keghairahannya.
Idea dan pengeluaran pertama percubaan Michelson
Ahli fizik Amerika Albert Michelson mula berminat dengan masalah eter selepas membaca surat Maxwell, yang diterbitkan selepas kematian Maxwell pada tahun 1879, menggambarkan percubaan yang tidak berjaya untuk mengesan gerakan Bumi berkenaan dengan eter dalam jurnal Nature.
Pada tahun 1881, percubaan pertama Michelson berlaku untuk menentukan kelajuan cahaya merambat dalam arah yang berbeza berbanding dengan eter, pemerhati yang bergerak bersama Bumi.
Bumi, yang bergerak dalam orbit, mesti tertakluk kepada tindakan yang dipanggil angin halus - fenomena yang serupa dengan aliran udara yang berjalan pada jasad yang bergerak. Rasuk cahaya monokromatik yang diarahkan selari dengan "angin" ini akan bergerak ke arahnya, kehilangan sedikit kelajuan, dan sebaliknya (mencerminkan dari cermin) ke arah yang bertentangan. Perubahan dalam kelajuan dalam kedua-dua kes adalah sama, tetapi ia dicapai dalam masa yang berbeza: rasuk "depan" yang perlahan akan mengambil masa yang lebih lama untuk bergerak. Jadi isyarat cahayayang dipancarkan selari dengan "angin eter" semestinya akan ditangguhkan berbanding isyarat yang bergerak dalam jarak yang sama, juga dengan pantulan dari cermin, tetapi dalam arah serenjang.
Untuk mendaftarkan kelewatan ini, peranti yang dicipta oleh Michelson sendiri telah digunakan - interferometer, yang operasinya berdasarkan fenomena superposisi gelombang cahaya koheren. Jika salah satu gelombang ditangguhkan, corak gangguan akan beralih disebabkan oleh perbezaan fasa yang terhasil.
Percubaan pertama Michelson dengan cermin dan interferometer tidak memberikan hasil yang jelas kerana sensitiviti peranti yang tidak mencukupi dan memandang rendah banyak gangguan (getaran) dan menyebabkan kritikan. Peningkatan yang ketara dalam ketepatan diperlukan.
Pengalaman berulang
Pada tahun 1887, saintis itu mengulangi eksperimen bersama rakan senegaranya Edward Morley. Mereka menggunakan persediaan lanjutan dan mengambil perhatian khusus untuk menghapuskan pengaruh faktor sampingan.
Intipati pengalaman tidak berubah. Pancaran cahaya yang dikumpul melalui kanta adalah kejadian pada cermin separa lutsinar yang ditetapkan pada sudut 45°. Di sini dia membahagikan: satu rasuk menembusi pembahagi, yang kedua pergi ke arah serenjang. Setiap rasuk kemudiannya dipantulkan oleh cermin rata biasa, dikembalikan ke pembahagi rasuk, dan kemudian sebahagiannya terkena interferometer. Penguji yakin dengan kewujudan "angin halus" dan dijangka mendapat anjakan yang boleh diukur sepenuhnya lebih daripada satu pertiga daripada pinggir gangguan.
Adalah mustahil untuk mengabaikan pergerakan sistem suria di angkasa, jadi idea eksperimen termasuk keupayaan untuk memutarkan pemasangan untuk memperhalusi arah "angin halus".
Untuk mengelakkan gangguan getaran dan herotan gambar semasa memusing peranti, keseluruhan struktur diletakkan pada papak batu besar dengan pelampung toroid kayu terapung dalam merkuri tulen. Asas di bawah pemasangan telah tertimbus ke batu.
Hasil eksperimen
Para saintis menjalankan pemerhatian yang teliti sepanjang tahun, memutarkan plat dengan peranti mengikut arah jam dan lawan jam. Corak gangguan direkodkan dalam 16 arah. Dan, di sebalik ketepatan yang tidak pernah berlaku sebelum zamannya, percubaan Michelson, yang dijalankan dengan kerjasama Morley, memberikan hasil negatif.
Gelombang cahaya dalam fasa meninggalkan pembahagi rasuk mencapai garisan penamat tanpa peralihan fasa. Ini diulang setiap kali, pada sebarang kedudukan interferometer, dan bermakna kelajuan cahaya dalam eksperimen Michelson tidak berubah dalam apa jua keadaan.
Pemeriksaan keputusan eksperimen telah dijalankan berulang kali, termasuk pada abad XX, menggunakan interferometer laser dan resonator gelombang mikro, mencapai ketepatan satu persepuluh bilion kelajuan cahaya. Hasil daripada pengalaman kekal tidak tergoyahkan: nilai ini tidak berubah.
Maksud percubaan
Dari eksperimen Michelson dan Morley, ia mengikuti bahawa "angin halus", dan, akibatnya, bahan sukar difahami ini sendiri langsung tidak wujud. Jika mana-mana objek fizikal pada asasnya tidak dikesan dalam mana-mana proses, ini sama dengan ketiadaannya. Ahli fizik, termasuk pengarang eksperimen yang berperingkat cemerlang, tidak serta-merta menyedari keruntuhan konsep eter, dan dengannya kerangka rujukan mutlak.
Hanya Albert Einstein pada tahun 1905 yang berjaya membentangkan penjelasan baru yang konsisten dan pada masa yang sama revolusioner tentang hasil eksperimen. Mempertimbangkan keputusan ini sebagaimana adanya, tanpa cuba menarik eter spekulatif kepada mereka, Einstein sampai pada dua kesimpulan:
- Tiada eksperimen optik yang dapat mengesan pergerakan rectilinear dan seragam Bumi (hak untuk menganggapnya sedemikian diberikan oleh tempoh singkat tindakan pemerhatian).
- Mengenai sebarang kerangka rujukan inersia, kelajuan cahaya dalam vakum tidak berubah.
Kesimpulan ini (yang pertama - digabungkan dengan prinsip relativiti Galilea) menjadi asas kepada perumusan postulat terkenal Einstein. Jadi eksperimen Michelson-Morley berfungsi sebagai asas empirikal yang kukuh untuk teori relativiti khas.
