במחצית השנייה של המאה ה-19, השקפות פיזיקליות על אופי התפשטות האור, פעולת הכבידה ועוד כמה תופעות אחרות החלו להיתקל בקשיים יותר ויותר. הם היו קשורים למושג האתרי השולט במדע. הרעיון לערוך ניסוי שיפתור את הסתירות המצטברות, כמו שאומרים, היה באוויר.
בשנות ה-80 של המאה ה-19 הוקמה סדרת ניסויים, מורכבת ועדינה מאוד לאותם זמנים - ניסויים של מיכלסון לחקר התלות של מהירות האור בכיוון התנועה של הצופה. לפני שמתעכב ביתר פירוט על התיאור והתוצאות של ניסויים מפורסמים אלה, יש צורך להיזכר מה היה מושג האתר וכיצד הובנה הפיזיקה של האור.
השקפות מהמאה ה-19 על טבע העולם
בתחילת המאה, תיאוריית הגלים של האור ניצחה, וקיבלה ניסויים מבריקיםאישור בעבודותיהם של יונג ופרנל, ומאוחר יותר - והצדקה תיאורטית ביצירתו של מקסוול. אור הפגין ללא ספק תכונות גל, ותאוריית הגופים נקברה תחת ערימת עובדות שלא יכלה להסביר (היא תקום לתחייה רק בתחילת המאה ה-20 על בסיס חדש לחלוטין).
עם זאת, הפיזיקה של אותה תקופה לא יכלה לדמיין התפשטות של גל אחרת מאשר דרך תנודות מכניות של מדיום. אם האור הוא גל, והוא מסוגל להתפשט בוואקום, אז למדענים לא הייתה ברירה אלא להניח שהוואקום מתמלא בחומר מסוים, בשל תנודותיו המוליכות גלי אור.
Ether Luminous
החומר המסתורי, חסר המשקל, הבלתי נראה, לא נרשם בשום מכשיר, נקרא אתר. הניסוי של מיכלסון תוכנן רק כדי לאשר את עובדת האינטראקציה שלו עם עצמים פיזיים אחרים.
השערות לגבי קיומו של חומר אתרי הובעו על ידי דקארט והויגנס במאה ה-17, אך הוא הפך הכרחי כאוויר במאה ה-19, ובמקביל הוביל לפרדוקסים בלתי פתירים. העובדה היא שכדי להתקיים באופן כללי, האתר היה צריך להיות בעל תכונות סותרות זו את זו או, באופן כללי, לא אמיתיות פיזית.
סתירות קונספט אתר
כדי להתאים לתמונת העולם הנצפה, האתר המאיר חייב להיות חסר תנועה לחלוטין - אחרת התמונה הזו תהיה מעוותת כל הזמן. אבל חוסר התנועה שלו היה בסתירה בלתי ניתנת לגישור עם משוואות מקסוול והעיקרוןתורת היחסות הגלילית. למען שימורם, היה צורך להודות שהאתר נסחף על ידי גופים נעים.
חוץ מזה, חומר אתרי נחשב כמוצק לחלוטין, רציף ובו בזמן לא מונע בשום אופן את תנועת הגופים דרכו, בלתי ניתן לדחיסה ובנוסף, בעל גמישות רוחבית, אחרת הוא לא היה מוליך גלים אלקטרומגנטיים. בנוסף, האתר נתפס כחומר חודר כל, אשר, שוב, לא מתאים לרעיון התשוקה שלו.
הרעיון וההפקה הראשונה של הניסוי של מיכלסון
הפיזיקאי האמריקאי אלברט מיכלסון התעניין בבעיית האתר לאחר שקרא את מכתבו של מקסוול, שפורסם לאחר מותו של מקסוול ב-1879, המתאר ניסיון לא מוצלח לזהות את תנועת כדור הארץ ביחס לאתר בכתב העת Nature.
בשנת 1881 התקיים הניסוי הראשון של מיכלסון לקביעת מהירות האור המתפשט בכיוונים שונים ביחס לאתר, צופה נע עם כדור הארץ.
כדור הארץ, הנע במסלול, חייב להיות נתון לפעולת הרוח האתרית כביכול - תופעה הדומה לזרימת האוויר המתנהלת על גוף נע. אלומת אור מונוכרומטית המכוונת במקביל ל"רוח" זו תנוע לעברה, תאבד מעט במהירות, ולהיפך (המשקף מהמראה) בכיוון ההפוך. השינוי במהירות בשני המקרים זהה, אך הוא מושג בזמנים שונים: הנסיעה המואטת של הקרן ה"מתקרבת" תימשך זמן רב יותר. אז אות האורהנפלט במקביל ל"רוח האתר" בהכרח יעוכב ביחס לאות העובר באותו מרחק, גם עם השתקפות מהמראה, אך בכיוון מאונך.
כדי לרשום עיכוב זה, נעשה שימוש במכשיר שהמציא מיכלסון עצמו - אינטרפרומטר, שפעולתו מבוססת על תופעת הסופרפוזיציה של גלי אור קוהרנטיים. אם אחד מהגלים היה מתעכב, דפוס ההפרעות היה משתנה עקב הפרש הפאזות שנוצר.
הניסוי הראשון של מיכלסון עם מראות ואינטרפרומטר לא נתן תוצאה חד משמעית בגלל רגישות לא מספקת של המכשיר והערכת חסר של הפרעות (רעידות) רבות וגרם לביקורת. נדרש שיפור משמעותי ברמת הדיוק.
ניסיון חוזר
בשנת 1887 חזר המדען על הניסוי יחד עם בן ארצו אדוארד מורלי. הם השתמשו בהגדרה מתקדמת ודאגו במיוחד לבטל את ההשפעה של גורמי צד.
מהות החוויה לא השתנתה. אלומת האור שנאספה באמצעות עדשה נפלה על מראה שקופה למחצה שנקבעה בזווית של 45°. כאן הוא חילק: קורה אחת חדרה דרך המפריד, השנייה הלכה בכיוון מאונך. לאחר מכן, כל אחת מהאלומות הוחזרה על ידי מראה שטוחה רגילה, הוחזרה אל מפצל האלומות, ואז פגעה חלקית באינטרפרומטר. הנסיינים היו בטוחים בקיומה של "רוח אתרית" וציפו לקבל תזוזה מדידה לחלוטין של יותר משליש משולי ההפרעה.
אי אפשר היה להזניח את תנועת מערכת השמש בחלל, ולכן הרעיון של הניסוי כלל את היכולת לסובב את המתקן על מנת לכוונן את כיוון "הרוח האתרית".
כדי למנוע הפרעות רטט ועיוות של התמונה בעת סיבוב המכשיר, המבנה כולו הונח על לוח אבן מסיבי עם מצוף עץ מרופד שצף בכספית טהורה. היסוד מתחת למתקן נטמן עד הסלע.
תוצאות ניסוי
מדענים ערכו תצפיות מדוקדקות לאורך כל השנה, וסובב את הצלחת עם המכשיר עם כיוון השעון ונגד כיוון השעון. דפוס ההפרעות תועד ב-16 כיוונים. ולמרות הדיוק חסר התקדים לתקופתו, הניסוי של מיכלסון, שבוצע בשיתוף פעולה עם מורלי, נתן תוצאה שלילית.
גלי אור בפאזה שעזבו את מפצל האלומות הגיעו לקו הסיום ללא שינוי פאזה. זה חזר על עצמו בכל פעם, בכל מיקום של האינטרפרומטר, ופירוש הדבר שמהירות האור בניסוי של מיכלסון לא השתנתה בשום פנים ואופן.
בדיקת תוצאות הניסוי בוצעה שוב ושוב, כולל במאה העשרים, באמצעות אינטרפרומטרי לייזר ותהודי מיקרוגל, שהגיעו לדיוק של 10 מיליארדית ממהירות האור. התוצאה של החוויה נותרת בלתי מעורערת: ערך זה אינו משתנה.
משמעות הניסוי
מהניסויים של מיכלסון ומורלי עולה ש"הרוח האתרית", וכתוצאה מכך, העניין החמקמק הזה עצמו פשוט לא קיים.אם עצם פיזי כלשהו אינו מזוהה ביסודו בשום תהליכים, זה בגדר היעדרו. פיזיקאים, כולל מחברי הניסוי המבויים בצורה מבריקה, לא הבינו מיד את קריסת מושג האתר, ואיתו מסגרת ההתייחסות המוחלטת.
רק אלברט איינשטיין ב-1905 הצליח להציג הסבר חדש עקבי ובו בזמן מהפכני לתוצאות הניסוי. בהתחשב בתוצאות הללו כפי שהן, מבלי לנסות למשוך אליהן אתר ספקולטיבי, איינשטיין הגיע לשתי מסקנות:
- שום ניסוי אופטי לא יכול לזהות את התנועה הליווית והאחידה של כדור הארץ (הזכות להתייחס אליו ככזו ניתנת על ידי משך הזמן הקצר של פעולת התצפית).
- בהתייחס לכל מסגרת ייחוס אינרציאלית, מהירות האור בוואקום אינה משתנה.
מסקנות אלו (הראשונות - בשילוב עם עקרון היחסות הגלילי) שימשו בסיס לניסוח של איינשטיין את ההנחות המפורסמות שלו. אז הניסוי של מיכלסון-מורלי שימש בסיס אמפירי מוצק לתורת היחסות המיוחדת.
