19. sajandi teisel poolel hakkasid füüsikalised vaated valguse levimise olemusele, gravitatsiooni mõjule ja mõnele muule nähtusele üha selgem alt raskustesse sattuma. Need olid seotud teaduses domineeriva eeterliku kontseptsiooniga. Nagu öeldakse, oli õhus idee korraldada eksperiment, mis lahendaks kogunenud vastuolud.
1880. aastatel loodi eksperimentide sari, mis olid nende aegade kohta väga keerulised ja peened – Michelsoni katsed valguse kiiruse sõltuvuse uurimiseks vaatleja liikumissuunast. Enne nende kuulsate katsete kirjelduse ja tulemuste põhjalikumat käsitlemist tuleb meenutada, mis oli eetri mõiste ja kuidas mõisteti valguse füüsikat.
19. sajandi vaated maailma olemusele
Sajandi alguses võidutses valguse laineteooria, saades hiilgavaid eksperimentekinnitust Jungi ja Fresneli töödes ning hiljem – ja teoreetilise põhjenduse Maxwelli töödes. Valgus avaldas absoluutselt vaieldamatult laineomadusi ja korpuskulaarteooria mattus faktide hunniku alla, mida ta ei suutnud seletada (see taaselustati täiesti uutel alustel alles 20. sajandi alguses).
Samas ei suutnud tolle ajastu füüsika ette kujutada laine levimist muul viisil kui läbi keskkonna mehaaniliste vibratsioonide. Kui valgus on laine ja see on võimeline levima vaakumis, siis ei jäänud teadlastel muud üle, kui eeldada, et vaakum on täidetud teatud ainega, kuna selle vibratsioon juhib valguslaineid.
Luminous Eether
Müstilist ainet, kaalutu, nähtamatu, mida ükski seade ei registreerinud, nimetati eetriks. Michelsoni katse eesmärk oli lihts alt kinnitada selle koostoimet teiste füüsiliste objektidega.
Hüpoteese eeterliku aine olemasolu kohta väljendasid Descartes ja Huygens 17. sajandil, kuid õhuna muutus see vajalikuks 19. sajandil ja viis samal ajal lahustumatute paradoksideni. Fakt on see, et üldiselt eksisteerimiseks pidid eetrid omama üksteist välistavaid või üldiselt füüsiliselt ebareaalseid omadusi.
Eetri kontseptsiooni vastuolud
Et vaadeldava maailma pildile vastaks, peab helendav eeter olema absoluutselt liikumatu – vastasel juhul oleks see pilt pidev alt moonutatud. Kuid tema liikumatus oli Maxwelli võrrandite ja põhimõttega lepitamatus vastuolusGalilei relatiivsusteooria. Nende säilimise huvides tuli tunnistada, et eetrit kannavad liikuvad kehad.
Pealegi arvati, et eeterlik aine on absoluutselt tahke, pidev ja samal ajal mitte mingil viisil kehade liikumist läbi selle takistav, kokkusurumatu ja pealegi põikelastsusega, vastasel juhul ei juhiks see elektromagnetlaineid. Lisaks loodi eeter kõikehõlmava ainena, mis jällegi ei haaku hästi tema kirega.
Michelsoni katse idee ja esimene lavastus
Ameerika füüsik Albert Michelson hakkas eetriprobleemi vastu huvi tundma pärast seda, kui luges pärast Maxwelli surma 1879. aastal avaldatud Maxwelli kirja, milles kirjeldati ajakirjas Nature ebaõnnestunud katset tuvastada Maa liikumist eetri suhtes.
Aastal 1881 viidi läbi Michelsoni esimene katse, et määrata eri suundades leviva valguse kiirus eetri, Maaga koos liikuva vaatleja suhtes.
Orbiidil liikuv Maa peab alluma nn eeterliku tuule toimele – nähtusele, mis sarnaneb liikuval kehal kulgeva õhuvooluga. Selle "tuulega" paralleelselt suunatud monokromaatiline valguskiir liigub selle poole, kaotades veidi kiirust ja vastupidi (peeglist peegeldudes) vastupidises suunas. Kiiruse muutus on mõlemal juhul sama, kuid see saavutatakse erinevatel aegadel: aeglustunud "vastutuleval" kiirel kulub rohkem aega. Nii et valgussignaal"eetrituulega" paralleelselt kiiratav signaal hilineb tingimata sama kaugele leviva signaali suhtes, samuti peegeldudes peeglist, kuid risti.
Selle viivituse registreerimiseks kasutati Michelsoni enda leiutatud seadet – interferomeetrit, mille töö põhineb koherentsete valguslainete superpositsiooni fenomenil. Kui üks lainetest viibiks, nihkuks interferentsi muster tekkiva faasierinevuse tõttu.
Michelsoni esimene katse peeglite ja interferomeetriga ei andnud seadme ebapiisava tundlikkuse ja arvukate häirete (vibratsiooni) alahindamise tõttu üheselt mõistetavat tulemust ning tekitas kriitikat. Täpsust oli vaja oluliselt parandada.
Korduv kogemus
1887. aastal kordas teadlane katset koos oma kaasmaalase Edward Morleyga. Nad kasutasid täiustatud seadistust ja hoolitsesid kõrv altegurite mõju kõrvaldamise eest.
Kogemuse olemus pole muutunud. Läätse abil kogutud valguskiir langes poolläbipaistvale peeglile, mis oli seatud 45° nurga all. Siin ta jagas: üks kiir tungis läbi jagaja, teine läks risti. Seejärel peegeldas iga kiirt tavaline tasane peegel, naasis kiirte jaoturisse ja tabas seejärel osaliselt interferomeetrit. Eksperimendi läbiviijad olid kindlad "eeterliku tuule" olemasolus ja eeldasid, et nad saavad täielikult mõõdetava nihke rohkem kui kolmandiku interferentsi äärest.
Päikesesüsteemi liikumist kosmoses oli võimatu tähelepanuta jätta, nii et katse idee sisaldas võimalust installatsiooni pöörata, et täpselt häälestada "eeterliku tuule" suunda.
Et vältida vibratsioonihäireid ja pildi moonutusi seadme pööramisel, asetati kogu konstruktsioon massiivsele kiviplaadile, millel oli puhtas elavhõbedas hõljuv puidust toroidne ujuk. Installatsiooni all olev vundament maeti kalju külge.
Katsetulemused
Teadlased tegid aastaringselt hoolikaid vaatlusi, pöörates plaati seadmega päri- ja vastupäeva. Häire muster registreeriti 16 suunas. Ja hoolimata tema ajastu enneolematust täpsusest, andis Michelsoni koostöös Morleyga läbi viidud katse negatiivse tulemuse.
Kiirejaoturist väljuvad samafaasilised valguslained jõudsid finišisse ilma faasinihketa. Seda korrati iga kord, interferomeetri mis tahes asendis ja see tähendas, et valguse kiirus Michelsoni katses ei muutunud mitte mingil juhul.
Eksperimendi tulemusi kontrolliti korduv alt, sealhulgas XX sajandil, kasutades laserinterferomeetreid ja mikrolaineresonaatoreid, saavutades täpsusega kümme miljardit osa valguse kiirusest. Kogemuse tulemus jääb kõigutamatuks: see väärtus jääb muutumatuks.
Katse tähendus
Michelsoni ja Morley katsetest järeldub, et "eeterlikku tuult" ja järelikult ka seda tabamatut ainet lihts alt ei eksisteeri. Kui mingit füüsilist objekti põhimõtteliselt üheski protsessis ei tuvastata, võrdub see selle puudumisega. Füüsikud, sealhulgas suurepäraselt lavastatud eksperimendi autorid, ei mõistnud kohe eetri mõiste ja sellega koos absoluutse tugiraamistiku kokkuvarisemist.
Ainult Albert Einsteinil õnnestus 1905. aastal esitada eksperimendi tulemuste järjekindel ja samal ajal revolutsiooniline uus selgitus. Arvestades neid tulemusi sellistena, nagu nad on, püüdmata neile spekulatiivset eetrit tõmmata, jõudis Einstein kahele järeldusele:
- Ükski optiline katse ei suuda tuvastada Maa sirgjoonelist ja ühtlast liikumist (õiguse seda selliseks pidada annab vaatlustoimingu lühike kestus).
- Mis tahes inertsiaalse võrdlusraamistiku puhul ei muutu valguse kiirus vaakumis.
Need järeldused (esimesed – koos Galilei relatiivsusprintsiibiga) olid aluseks Einsteini oma kuulsate postulaatide sõnastamisele. Nii et Michelson-Morley eksperiment oli erirelatiivsusteooria kindel empiiriline alus.
