في النصف الثاني من القرن التاسع عشر ، بدأت وجهات النظر المادية حول طبيعة انتشار الضوء ، وعمل الجاذبية وبعض الظواهر الأخرى بشكل أكثر وضوحًا في مواجهة الصعوبات. لقد ارتبطوا بالمفهوم الأثيري السائد في العلم. فكرة إجراء تجربة من شأنها حل التناقضات المتراكمة ، كما يقولون ، كانت في الأجواء.
في ثمانينيات القرن التاسع عشر ، تم إعداد سلسلة من التجارب ، معقدة للغاية ودقيقة لتلك الأوقات - تجارب ميشيلسون لدراسة اعتماد سرعة الضوء على اتجاه حركة المراقب. قبل الخوض في مزيد من التفاصيل حول وصف ونتائج هذه التجارب الشهيرة ، من الضروري أن نتذكر مفهوم الأثير وكيف تم فهم فيزياء الضوء.
آراء القرن التاسع عشر حول طبيعة العالم
في بداية القرن انتصرت نظرية موجات الضوء واستقبلت تجارب رائعةالتأكيد في أعمال يونغ وفرينل ، وبعد ذلك - والتبرير النظري في أعمال ماكسويل. أظهر الضوء بشكل لا يمكن إنكاره خصائص موجية ، ودُفنت نظرية الجسيمات تحت كومة من الحقائق التي لم تستطع تفسيرها (لن يتم إحياؤها إلا في بداية القرن العشرين على أساس جديد تمامًا).
ومع ذلك ، لم يكن بوسع فيزياء تلك الحقبة أن تتخيل انتشار الموجة إلا من خلال الاهتزازات الميكانيكية لوسط ما. إذا كان الضوء عبارة عن موجة ، وقادر على الانتشار في الفراغ ، فلا خيار أمام العلماء سوى افتراض أن الفراغ ممتلئ بمادة معينة ، بسبب اهتزازاته التي تنقل موجات الضوء.
الأثير المضيء
المادة الغامضة ، عديمة الوزن ، غير مرئية ، غير مسجلة بأي أجهزة ، كانت تسمى الأثير. تم تصميم تجربة ميشيلسون فقط لتأكيد حقيقة تفاعلها مع الأشياء المادية الأخرى.
تم التعبير عن فرضيات حول وجود المادة الأثيرية من قبل ديكارت وهويجنز في القرن السابع عشر ، لكنها أصبحت ضرورية كهواء في القرن التاسع عشر ، وفي نفس الوقت أدت إلى مفارقات غير قابلة للذوبان. الحقيقة هي أنه من أجل الوجود بشكل عام ، يجب أن يكون للأثير صفات متنافية أو غير واقعية جسديًا بشكل عام.
تناقضات مفهوم الأثير
لمطابقة صورة العالم المرصود ، يجب أن يكون الأثير المضيء ثابتًا تمامًا - وإلا ستشوه هذه الصورة باستمرار. لكن جموده كان يتعارض مع معادلات ماكسويل والمبدأالنسبية الجليل. من أجل الحفاظ عليها ، كان من الضروري الاعتراف بأن الأثير يتم نقله بعيدًا عن طريق تحريك الأجسام.
إلى جانب ذلك ، كان يُعتقد أن المادة الأثيرية صلبة تمامًا ومستمرة وفي نفس الوقت لا تعيق بأي حال من الأحوال حركة الأجسام من خلالها ، ولا يمكن ضغطها ، وعلاوة على ذلك ، تمتلك مرونة عرضية ، وإلا فلن تقوم بتوصيل الموجات الكهرومغناطيسية. بالإضافة إلى ذلك ، تم تصور الأثير على أنه مادة شاملة ، والتي ، مرة أخرى ، لا تتناسب بشكل جيد مع فكرة شغفه.
الفكرة والإنتاج الأول لتجربة ميكلسون
أصبح الفيزيائي الأمريكي ألبرت ميكلسون مهتمًا بمشكلة الأثير بعد قراءة رسالة ماكسويل ، التي نُشرت بعد وفاة ماكسويل عام 1879 ، واصفًا محاولة فاشلة لاكتشاف حركة الأرض فيما يتعلق بالأثير في مجلة نيتشر.
في عام 1881 ، أجريت أول تجربة لميشلسون لتحديد سرعة انتشار الضوء في اتجاهات مختلفة بالنسبة للأثير ، وهو مراقب يتحرك مع الأرض.
الأرض ، التي تتحرك في المدار ، يجب أن تخضع لعمل ما يسمى بالرياح الأثيرية - وهي ظاهرة مشابهة لتدفق الهواء الذي يجري على جسم متحرك. شعاع ضوء أحادي اللون موجه بالتوازي مع هذه "الريح" سيتحرك باتجاهه ، ويفقد سرعته قليلاً ، والعكس صحيح (ينعكس من المرآة) في الاتجاه المعاكس. التغيير في السرعة في كلتا الحالتين هو نفسه ، ولكن يتم تحقيقه في أوقات مختلفة: سوف يستغرق الشعاع "القادم" البطيء وقتًا أطول في السفر. لذا فإن الإشارة الضوئيةالمنبعثة بالتوازي مع "الريح الأثير" سوف تتأخر بالضرورة بالنسبة للإشارة التي تسافر نفس المسافة ، وأيضًا مع انعكاس من المرآة ، ولكن في اتجاه عمودي.
لتسجيل هذا التأخير ، تم استخدام جهاز اخترعه ميكلسون بنفسه - مقياس التداخل ، الذي يعتمد تشغيله على ظاهرة تراكب موجات الضوء المتماسكة. إذا تأخرت إحدى الموجات ، فإن نمط التداخل سيتحول بسبب اختلاف الطور الناتج.
تجربة ميشيلسون الأولى مع المرايا ومقياس التداخل لم تعطِ نتيجة لا لبس فيها بسبب الحساسية غير الكافية للجهاز والتقليل من التداخلات العديدة (الاهتزازات) وتسببت في انتقادات. مطلوب تحسين كبير في الدقة.
تجربة متكررة
في عام 1887 ، كرر العالم التجربة مع مواطنه إدوارد مورلي. لقد استخدموا إعدادًا متقدمًا وأخذوا عناية خاصة للتخلص من تأثير العوامل الجانبية.
جوهر التجربة لم يتغير. وقع شعاع الضوء الذي تم جمعه بواسطة عدسة على مرآة نصف شفافة بزاوية 45 درجة. هنا قسّم: شعاع اخترق الحاجز ، والثاني يسير في اتجاه عمودي. ثم انعكست كل من الحزم بواسطة مرآة مسطحة عادية ، وعادت إلى مقسم الحزمة ، ثم اصطدمت جزئيًا بمقياس التداخل. كان المجربون واثقين من وجود "الرياح الأثيرية" وتوقعوا الحصول على تحول قابل للقياس تمامًا لأكثر من ثلث هامش التداخل.
كان من المستحيل إهمال حركة النظام الشمسي في الفضاء ، لذلك تضمنت فكرة التجربة القدرة على تدوير التثبيت من أجل ضبط اتجاه "الريح الأثيري".
لتجنب تداخل الاهتزازات وتشويه الصورة عند قلب الجهاز ، تم وضع الهيكل بأكمله على لوح حجري ضخم مع تعويم حلقي خشبي عائم في الزئبق النقي. تم دفن الأساس تحت التثبيت على الصخر.
نتائج تجريبية
أجرى العلماء ملاحظات دقيقة على مدار العام ، وقاموا بتدوير اللوحة بالجهاز في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة. تم تسجيل نمط التداخل في 16 اتجاهًا. وعلى الرغم من الدقة غير المسبوقة في عصره ، إلا أن تجربة ميكلسون التي نفذت بالتعاون مع مورلي أعطت نتيجة سلبية.
وصلت موجات الضوء في الطور التي تترك فاصل الحزمة إلى خط النهاية دون تحول الطور. تكرر هذا في كل مرة ، في أي موضع لمقياس التداخل ، وهذا يعني أن سرعة الضوء في تجربة ميكلسون لم تتغير تحت أي ظرف من الظروف.
تم إجراء التحقق من نتائج التجربة مرارًا وتكرارًا ، بما في ذلك في القرن العشرين ، باستخدام مقاييس التداخل الليزرية ومرنانات الميكروويف ، والتي بلغت دقة تبلغ واحدًا من عشرة مليارات من سرعة الضوء. تظل نتيجة التجربة ثابتة: هذه القيمة لم تتغير
معنى التجربة
من تجارب ميشيلسون ومورلي يترتب على ذلك أن "الريح الأثيرية" ، وبالتالي ، هذه المادة المراوغة نفسها ببساطة غير موجودة.إذا لم يتم اكتشاف أي كائن مادي بشكل أساسي في أي عملية ، فإن هذا يعادل عدم وجوده. لم يدرك الفيزيائيون ، بمن فيهم مؤلفو التجربة التي تم تنظيمها ببراعة ، على الفور انهيار مفهوم الأثير ، ومعه الإطار المرجعي المطلق.
تمكن ألبرت أينشتاين فقط في عام 1905 من تقديم تفسير جديد متسق وثوري في نفس الوقت لنتائج التجربة. بالنظر إلى هذه النتائج كما هي ، دون محاولة استخلاص الأثير التخميني لها ، توصل أينشتاين إلى استنتاجين:
- لا توجد تجربة بصرية يمكنها الكشف عن الحركة المستقيمة والموحدة للأرض (الحق في اعتبارها على هذا النحو يُعطى من خلال المدة القصيرة لفعل المراقبة).
- فيما يتعلق بأي إطار مرجعي بالقصور الذاتي ، فإن سرعة الضوء في الفراغ لا تتغير.
هذه الاستنتاجات (الأولى - بالاقتران مع مبدأ النسبية الجاليلي) كانت بمثابة الأساس لصياغة أينشتاين لمسلماته الشهيرة. لذا فإن تجربة ميكلسون مورلي كانت بمثابة أساس تجريبي صلب لنظرية النسبية الخاصة.
