Maikelsona un Morlija eksperiments
Pendahuluan
19. gadsimta beigās fiziķu vidū bija populārs gaismas ētera jeb vienkārši “ētera” jēdziens. Tika uzskatīts, ka ēteris ir neredzama vide, kas caurstrāvo Visumu un nodrošina vidi gaismas izplatībai, līdzīgi kā gaiss nodrošina vidi skaņas viļņiem. Maikelsona un Morlija eksperiments, kas tika veikts 1887. gadā, bija vērsts uz šī ētera esamības noteikšanu. Viņu rezultāti ne tikai apstrīdēja ētera jēdzienu, bet arī pavēra ceļu Alberta Einšteina speciālās relativitātes teorijas attīstībai. Šajā rakstā tiks apskatīts Maikelsona un Morlija eksperimenta fons, metodoloģija, rezultāti un ietekme.
Latars Belakangs
Pirms Maikelsona un Morlija eksperimentiem daudzi vadošie fiziķi uzskatīja, ka gaismai, tāpat kā citiem mehāniskajiem viļņiem, ir nepieciešama vide, lai izplatītos. Šis ētera jēdziens tika uzskatīts par nepieciešamu, lai izskaidrotu gaismas īpašības, tostarp tās izplatīšanos vakuumā.
Tomēr nebija eksperimentālu pierādījumu, kas apstiprinātu ētera eksistenci. Tāpēc Alberts A. Maikelsons un Edvards V. Morlijs mēģināja noteikt Zemes kustību caur ēteri, izmantojot interferometru — ierīci, ko izstrādāja pats Maikelsons.
Metodoloģija
Maikelsona interferometrs
Maikelsona un Morlija izmantotais interferometrs sastāvēja no gaismas avota, kas izstaroja gaismu uz puscaurlaidīgu spoguli. Šī gaisma sadalījās divos perpendikulāros staros un tika atstarota no spoguļiem, kas novietoti katrā no tiem. Pēc tam abi stari atkal apvienojās, veidojot novērojamu interferences modeli.
Šis interferometrs ir ļoti jutīgs pret nelielām izmaiņām gaismas stara ceļa garumā, tāpēc tam vajadzētu būt spējīgam noteikt atšķirības, ko rada Zemes kustība ēterī.
Eksperimentālā procedūra
Maikelsons un Morlijs savā laboratorijā uzstādīja interferometru un virzīja divus gaismas starus: vienu paralēli Zemes kustības virzienam caur ēteri (viņi tā pieņēma), bet otru perpendikulāri šim virzienam. Viņi izvirzīja hipotēzi, ka, ja ēteris pastāvētu, Zemes kustība caur ēteri izraisītu atšķirību abu gaismas staru pārvietošanās laikā, kā rezultātā rastos izmērāmas izmaiņas interferences modelī.
Eksperimenti tika veikti ar dažādām interferometra orientācijām, atkārtoti daudzas reizes visa gada garumā, lai pielāgotos Zemes pozīcijas izmaiņām attiecībā pret ēteri.
Eksperimentālie rezultāti
Pēc rūpīgiem mērījumiem Maikelsons un Morlijs neatrada būtiskas atšķirības novērotajos interferences modeļos. Šis rezultāts norādīja, ka Zemes kustība attiecībā pret ēteri nebija nosakāma, kas ir pretrunā ar viņu sākotnējo hipotēzi.
Šī eksperimenta rezultāts ir pazīstams kā nulles rezultāts, jo tas nesniedza nekādus pierādījumus ētera eksistencei. Šis rezultāts pārsteidza daudzus tā laika zinātniekus un kļuva par vienu no slavenākajiem eksperimentiem fizikas vēsturē.
Ietekme un reakcijas
Ietekme uz ētera teoriju
Maikelsona un Morlija nespēja atklāt ēteri radīja nopietnas šaubas par šīs vides esamību. Tika izvirzītas daudzas teorijas, lai izskaidrotu nulles rezultātus, tostarp ētera saistīšanās ar Zemi vai garuma saraušanās koncepcija, ko izvirzīja fiziķi Džordžs Ficdžeralds un Hendriks Lorencs.
Lorenca-Ficdžeralda kontrakcija
Ficdžeralds un Lorencs ierosināja, ka objekti, kas pārvietojas ēterā, piedzīvo garuma saraušanos to kustības virzienā, tādējādi izlīdzinot gaismas izplatīšanās laikus abos interferometra ceļos. Šī teorija, kas pazīstama kā Lorenca-Ficdžeralda saraušanās hipotēze, sniedza ad hoc skaidrojumu, kas uz laiku saglabāja ētera koncepciju.
Ieguldījums relativitātes teorijā
Alberts Einšteins, apzinoties Maikelsona un Morlija eksperimentu rezultātus, 1905. gadā izstrādāja speciālo relativitātes teoriju. Šī teorija novērsa nepieciešamību pēc ētera, postulējot, ka gaismas ātrums vakuumā ir nemainīgs un vienāds visiem novērotājiem neatkarīgi no viņu relatīvās kustības. Speciālā relativitāte sniedza konsekventu un elegantu skaidrojumu Maikelsona un Morlija eksperimentu rezultātiem bez nepieciešamības pēc ētera vides.
Eksperimenta nozīme
Maikelsona un Morlija eksperiments iezīmēja nozīmīgu pagrieziena punktu fizikas vēsturē. Daži no šī eksperimenta svarīgākajiem aspektiem ir:
1. Ētera jēdziena apstrīdēšana:
Šis eksperiments sniedza spēcīgus pierādījumus pret ētera eksistenci, liekot zinātniekiem pārskatīt gaismas un elektromagnētisko viļņu teorijas pamatus.
2. Veicināt relativitātes attīstību:
Šī eksperimenta nulles rezultāts bija viens no faktoriem, kas pamudināja Einšteinu izstrādāt speciālo relativitātes teoriju, kas revolucionizēja mūsu izpratni par telpu un laiku.
3. Eksperimentālā metodoloģija:
Maikelsona izstrādātā interferometriskā metode joprojām tiek izmantota daudzos citos zinātniskos eksperimentos, tostarp gravitācijas viļņu noteikšanā ar LIGO interferometru 2015. gadā.
Secinājums
Maikelsona un Morlija eksperiments ir viens no svarīgākajiem eksperimentiem fizikas vēsturē. Pārbaudot ētera eksistenci un iegūstot nulles rezultātu, šis eksperiments apstrīdēja tā laika valdošo zinātnisko paradigmu un pavēra ceļu Einšteina speciālās relativitātes teorijas izstrādei. Šī eksperimenta rezultāti ne tikai satricināja mūsu izpratnes par gaismu un tās izplatīšanās vidi pamatus, bet arī izraisīja būtiskas pārmaiņas teorētiskajā fizikā, kas mūs tuvināja mūsdienu izpratnei par Visumu.
Šis eksperiments mums atgādina par eksperimentālas verifikācijas nozīmi zinātnē un to, kā negaidīti rezultāti var novest pie ievērojamiem zinātniskās izpratnes sasniegumiem. Likvidējot ētera nepieciešamību, Maikelsona un Morlija eksperiments palīdzēja ievadīt jaunu ēru fizikā, kas turpinās līdz pat šai dienai.
