19-րդ դարի երկրորդ կեսին լույսի տարածման բնույթի, ձգողականության գործողության և որոշ այլ երևույթների վերաբերյալ ֆիզիկական տեսակետներն ավելի ու ավելի հստակ սկսեցին հանդիպել դժվարությունների: Դրանք կապված էին գիտության մեջ գերիշխող եթերային հասկացության հետ։ Կուտակված հակասությունները, ինչպես ասում են, փորձ անելու գաղափարը օդում էր։
1880-ականներին ստեղծվեց մի շարք փորձեր, որոնք այն ժամանակների համար շատ բարդ և նուրբ էին. Միքելսոնի փորձերը՝ ուսումնասիրելու լույսի արագության կախվածությունը դիտորդի շարժման ուղղությունից: Նախքան այս հայտնի փորձերի նկարագրությանն ու արդյունքներին ավելի մանրամասն անդրադառնալը, անհրաժեշտ է հիշել, թե որն էր եթեր հասկացությունը և ինչպես էր հասկացվում լույսի ֆիզիկան:
19-րդ դարի հայացքներ աշխարհի բնության մասին
Դարի սկզբին հաղթեց լույսի ալիքային տեսությունը՝ ստանալով փայլուն փորձարարականհաստատում Յունգի և Ֆրենելի աշխատություններում, իսկ ավելի ուշ՝ և տեսական հիմնավորում Մաքսվելի աշխատության մեջ։ Լույսը բացարձակապես անհերքելիորեն դրսևորում էր ալիքային հատկություններ, և կորպուսկուլյար տեսությունը թաղված էր փաստերի կույտի տակ, որոնք նա չէր կարող բացատրել (այն կվերածնվեր միայն 20-րդ դարի սկզբին բոլորովին նոր հիմունքներով):
Սակայն այդ դարաշրջանի ֆիզիկան չէր կարող պատկերացնել ալիքի տարածումը այլ կերպ, քան միջավայրի մեխանիկական թրթիռների միջոցով: Եթե լույսը ալիք է, և այն ի վիճակի է տարածվել վակուումում, ապա գիտնականներին այլ բան չէր մնում, քան ենթադրել, որ վակուումը լցված է որոշակի նյութով, քանի որ դրա թրթռումները լուսային ալիքներ են վարում։
Լուսավոր Եթեր
Խորհրդավոր նյութը՝ անկշիռ, անտեսանելի, ոչ մի սարքի կողմից չգրանցված, կոչվում էր եթեր։ Մայքելսոնի փորձը պարզապես նախատեսված էր այլ ֆիզիկական օբյեկտների հետ դրա փոխազդեցության փաստը հաստատելու համար։
Եթերային նյութի գոյության մասին վարկածներն արտահայտվել են 17-րդ դարում Դեկարտի և Հյուգենսի կողմից, սակայն այն դարձել է օդի անհրաժեշտություն 19-րդ դարում և միևնույն ժամանակ հանգեցրել է անլուծելի պարադոքսների։ Փաստն այն է, որ ընդհանրապես գոյություն ունենալու համար եթերը պետք է ունենար փոխադարձ բացառող կամ, ընդհանրապես, ֆիզիկապես անիրական հատկություններ։
Եթեր հասկացության հակասություններ
Դիտարկվող աշխարհի պատկերին համապատասխանելու համար լուսավոր եթերը պետք է բացարձակապես անշարժ լինի, այլապես այս պատկերն անընդհատ կաղավաղվի: Բայց նրա անշարժությունն անհաշտ հակասության մեջ էր Մաքսվելի հավասարումների և սկզբունքի հետԳալիլեյան հարաբերականություն. Դրանց պահպանման համար անհրաժեշտ էր ընդունել, որ եթերը տարվում է շարժվող մարմիններով։
Բացի այդ, եթերային նյութը համարվում էր բացարձակապես պինդ, շարունակական և, միևնույն ժամանակ, ոչ մի կերպ խոչընդոտող մարմինների շարժն իր միջով, անսեղմելի և, առավել ևս, լայնակի առաձգականություն ունեցող, այլապես այն չէր անցկացնի էլեկտրամագնիսական ալիքներ։ Բացի այդ, եթերը ընկալվում էր որպես համատարած նյութ, որը, կրկին, լավ չի համապատասխանում նրա կրքի գաղափարին:
Մայքելսոնի փորձի գաղափարը և առաջին արտադրությունը
Ամերիկացի ֆիզիկոս Ալբերտ Միխելսոնը հետաքրքրվեց եթերի խնդրով այն բանից հետո, երբ կարդաց Մաքսվելի նամակը, որը հրապարակվել էր Մաքսվելի մահից հետո 1879 թվականին, որտեղ նկարագրվում էր Երկրի շարժումը եթերի նկատմամբ հայտնաբերելու անհաջող փորձը Nature ամսագրում::
1881 թվականին տեղի ունեցավ Միքելսոնի առաջին փորձը՝ որոշելու լույսի արագությունը, որը տարածվում է տարբեր ուղղություններով Երկրի հետ շարժվող դիտորդի՝ եթերի նկատմամբ:
Երկիրը, շարժվելով ուղեծրով, պետք է ենթարկվի այսպես կոչված եթերային քամու գործողությանը, որը նման է շարժվող մարմնի վրա հոսող օդի հոսքին: Այս «քամուն» զուգահեռ մոնոխրոմատիկ լույսի ճառագայթը կշարժվի դեպի այն՝ մի փոքր կորցնելով արագությունը և հակառակը (արտացոլվելով հայելից) հակառակ ուղղությամբ։ Արագության փոփոխությունը երկու դեպքում էլ նույնն է, բայց այն ձեռք է բերվում տարբեր ժամանակներում՝ դանդաղեցված «գալիք» ճառագայթը ավելի երկար կպահանջի ճանապարհորդելու համար: Այսպիսով, լույսի ազդանշանը«Եթերային քամուն» զուգահեռ արտանետվող ազդանշանը անպայմանորեն կհետաձգվի նույն հեռավորության վրա անցնող ազդանշանի համեմատ, ինչպես նաև հայելու արտացոլմամբ, բայց ուղղահայաց ուղղությամբ:
Այս ուշացումն արձանագրելու համար օգտագործվել է ինքը՝ Մայքելսոնի հայտնագործած սարքը՝ ինտերֆերոմետր, որի աշխատանքը հիմնված է համահունչ լուսային ալիքների սուպերպոզիցիային։ Եթե ալիքներից մեկը հետաձգվեր, միջամտության օրինաչափությունը կփոխվեր արդյունքում առաջացող փուլային տարբերության պատճառով:
Մայքելսոնի առաջին փորձը հայելիների և ինտերֆերաչափի հետ միանշանակ արդյունք չտվեց սարքի անբավարար զգայունության և բազմաթիվ միջամտությունների (թրթռումների) թերագնահատման պատճառով և առաջացրեց քննադատություն։ Պահանջվում էր ճշգրտության զգալի բարելավում։
Կրկնվող փորձ
1887 թվականին գիտնականը կրկնել է փորձը իր հայրենակից Էդվարդ Մորլիի հետ միասին։ Նրանք օգտագործեցին առաջադեմ կարգավորում և հատուկ ուշադրություն դարձրին կողմնակի գործոնների ազդեցությունը վերացնելու համար:
Փորձի էությունը չի փոխվել։ Ոսպնյակի միջոցով հավաքված լույսի ճառագայթը ընկել է 45° անկյան տակ տեղադրված կիսաթափանցիկ հայելու վրա: Այստեղ նա բաժանեց՝ մի ճառագայթը թափանցեց բաժանարարի միջով, երկրորդը գնաց ուղղահայաց ուղղությամբ։ Ճառագայթներից յուրաքանչյուրն այնուհետև արտացոլվել է սովորական հարթ հայելու միջոցով, վերադարձել է ճառագայթների բաժանարարին, այնուհետև մասամբ հարվածել է ինտերֆերոմետրին: Փորձի մասնակիցները վստահ էին «եթերային քամու» առկայության մեջ և ակնկալում էին, որ նրանք կստանան միանգամայն չափելի տեղաշարժ՝ ինտերֆերենցիայի եզրագծի ավելի քան մեկ երրորդի չափով:
Անհնար էր անտեսել Արեգակնային համակարգի շարժումը տիեզերքում, ուստի փորձի գաղափարը ներառում էր տեղադրումը պտտելու հնարավորությունը՝ «եթերային քամու» ուղղությունը ճշգրտելու համար։
Սարքը պտտելիս թրթռումային միջամտությունից և նկարի աղավաղումից խուսափելու համար ամբողջ կառույցը տեղադրվել է մաքուր սնդիկի մեջ լողացող փայտե պտույտային բոցով հսկայական քարե սալիկի վրա: Տեղադրման տակ գտնվող հիմքը թաղվել է ժայռի տակ։
Փորձարարական արդյունքներ
Գիտնականները զգույշ դիտարկումներ են անցկացրել ամբողջ տարվա ընթացքում՝ սարքի հետ պտտելով թիթեղը ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ և հակառակ ուղղությամբ: Միջամտության օրինաչափությունը գրանցվել է 16 ուղղություններով: Եվ չնայած իր դարաշրջանի համար աննախադեպ ճշգրտությանը, Մորլիի հետ համատեղ իրականացված Մայքելսոնի փորձը բացասական արդյունք տվեց։
Փուլային լուսային ալիքները, որոնք թողնում էին ճառագայթների բաժանարարը, հասնում էին ավարտի գծին՝ առանց փուլային հերթափոխի: Սա կրկնվում էր ամեն անգամ, ինտերֆերոմետրի ցանկացած դիրքում, և նշանակում էր, որ լույսի արագությունը Մայքելսոնի փորձի մեջ ոչ մի դեպքում չի փոխվել։
Փորձի արդյունքների ստուգումն իրականացվել է բազմիցս, այդ թվում՝ XX դարում, օգտագործելով լազերային ինտերֆերոմետրեր և միկրոալիքային ռեզոնատորներ՝ հասնելով լույսի արագության տասը միլիարդերորդական ճշգրտության։ Փորձի արդյունքը մնում է անսասան. այս արժեքը անփոփոխ է:
Փորձի իմաստը
Մայքելսոնի և Մորլիի փորձերից հետևում է, որ «եթերային քամին» և, հետևաբար, ինքնին այս խուսափողական նյութը պարզապես գոյություն չունի։Եթե որևէ ֆիզիկական օբյեկտ սկզբունքորեն չի հայտնաբերվում որևէ գործընթացում, դա հավասարազոր է դրա բացակայությանը: Ֆիզիկոսները, այդ թվում՝ փայլուն բեմադրված փորձի հեղինակները, անմիջապես չհասկացան եթերի հայեցակարգի փլուզումը և դրա հետ մեկտեղ՝ հղումների բացարձակ շրջանակը։
Միայն Ալբերտ Էյնշտեյնը 1905 թվականին կարողացավ ներկայացնել փորձի արդյունքների հետևողական և միևնույն ժամանակ հեղափոխական նոր բացատրությունը։ Հաշվի առնելով այս արդյունքներն այնպիսին, ինչպիսին կան, չփորձելով դրանց վրա ենթադրական եթեր բերել, Էյնշտեյնը հանգեց երկու եզրակացության.
- Ոչ մի օպտիկական փորձ չի կարող հայտնաբերել Երկրի ուղղագիծ և միատեսակ շարժումը (այն որպես այդպիսին համարելու իրավունքը տրվում է դիտարկման գործողության կարճ տեւողությամբ):
- Ինչ վերաբերում է ցանկացած իներցիալ հղման համակարգին, ապա լույսի արագությունը վակուումում անփոփոխ է:
Այս եզրակացությունները (առաջինը՝ հարաբերականության Գալիլեյան սկզբունքի հետ համատեղ) հիմք հանդիսացան Էյնշտեյնի կողմից իր հայտնի պոստուլատների ձևակերպման համար։ Այսպիսով, Մայքելսոն-Մորլիի փորձը ծառայեց որպես ամուր էմպիրիկ հիմք հարաբերականության հատուկ տեսության համար:
