მე-19 საუკუნის მეორე ნახევარში, ფიზიკური შეხედულებები სინათლის გავრცელების ბუნების, გრავიტაციის მოქმედებისა და ზოგიერთი სხვა ფენომენის შესახებ უფრო და უფრო ცხადად იწყებდნენ სირთულეებს. ისინი დაკავშირებული იყო მეცნიერებაში დომინირებულ ეთერულ კონცეფციასთან. ექსპერიმენტის ჩატარების იდეა, რომელიც გადაწყვეტდა დაგროვილ წინააღმდეგობებს, როგორც ამბობენ, ჰაერში იყო.
1880-იან წლებში შეიქმნა ექსპერიმენტების სერია, ძალიან რთული და დახვეწილი იმ დროისთვის - მაიკლსონის ექსპერიმენტები სინათლის სიჩქარის დამოკიდებულების შესასწავლად დამკვირვებლის მოძრაობის მიმართულებაზე. სანამ უფრო დეტალურად ვისაუბრებთ ამ ცნობილი ექსპერიმენტების აღწერასა და შედეგებზე, უნდა გავიხსენოთ რა იყო ეთერის ცნება და როგორ იქნა გაგებული სინათლის ფიზიკა.
19 საუკუნის შეხედულებები მსოფლიოს ბუნების შესახებ
საუკუნის დასაწყისში გაიმარჯვა სინათლის ტალღის თეორიამ და მიიღო ბრწყინვალე ექსპერიმენტებიდადასტურება იუნგისა და ფრენელის ნაშრომებში, შემდეგ კი - და თეორიული დასაბუთება მაქსველის შემოქმედებაში. სინათლე აბსოლუტურად უდაოდ ავლენდა ტალღის თვისებებს და კორპუსკულური თეორია დამარხული იყო ფაქტების გროვის ქვეშ, რომელთა ახსნა არ შეეძლო (ის მხოლოდ მე-20 საუკუნის დასაწყისში სრულიად ახალ საფუძველზე გამოცოცხლდებოდა).
თუმცა, იმ ეპოქის ფიზიკას არ შეეძლო წარმოედგინა ტალღის გავრცელება სხვაგვარად, გარდა გარემოს მექანიკური ვიბრაციების მეშვეობით. თუ სინათლე არის ტალღა და მას შეუძლია ვაკუუმში გავრცელება, მაშინ მეცნიერებს სხვა არჩევანი არ ჰქონდათ, გარდა იმის ვარაუდისა, რომ ვაკუუმი ივსება გარკვეული ნივთიერებით, მისი ვიბრაციების გამო, რომლებიც ატარებენ სინათლის ტალღებს.
ნათელი ეთერი
იდუმალ სუბსტანციას, უწონო, უხილავ, არავითარი ხელსაწყოს მიერ რეგისტრირებული, ეთერი ეწოდა. მაიკლსონის ექსპერიმენტი უბრალოდ შექმნილი იყო სხვა ფიზიკურ ობიექტებთან მისი ურთიერთქმედების ფაქტის დასადასტურებლად.
ჰიპოთეზები ეთერული მატერიის არსებობის შესახებ მე-17 საუკუნეში დეკარტმა და ჰაიგენსმა გამოთქვეს, მაგრამ მე-19 საუკუნეში ჰაერივით გახდა საჭირო და ამავდროულად უხსნად პარადოქსებამდე მიიყვანა. ფაქტია, რომ ზოგადად არსებობისთვის ეთერს უნდა ჰქონოდა ურთიერთგამომრიცხავი ან, ზოგადად, ფიზიკურად არარეალური თვისებები.
ეთერის კონცეფციის წინააღმდეგობები
დაკვირვებული სამყაროს სურათის შესატყვისად, მანათობელი ეთერი აბსოლუტურად უმოძრაო უნდა იყოს - წინააღმდეგ შემთხვევაში ეს სურათი მუდმივად დამახინჯდება. მაგრამ მისი უმოძრაობა შეურიგებელ წინააღმდეგობაში იყო მაქსველის განტოლებებთან და პრინციპთანგალილეის ფარდობითობა. მათი შენარჩუნებისთვის საჭირო იყო იმის აღიარება, რომ ეთერი მოძრავი სხეულებით არის გატაცებული.
გარდა ამისა, ეთერული მატერია ითვლებოდა, რომ იყო აბსოლუტურად მყარი, უწყვეტი და ამავდროულად, არანაირად არ აფერხებდა სხეულების მოძრაობას მასში, შეუკუმშვად და, უფრო მეტიც, განივი ელასტიურობის მქონედ, წინააღმდეგ შემთხვევაში ის არ გაატარებდა ელექტრომაგნიტურ ტალღებს. გარდა ამისა, ეთერი ჩაფიქრებული იყო როგორც ყოვლისმომცველი სუბსტანცია, რომელიც, ისევ და ისევ, კარგად არ ჯდება მისი ვნების იდეასთან.
მიკელსონის ექსპერიმენტის იდეა და პირველი წარმოება
ამერიკელი ფიზიკოსი ალბერტ მაიკლსონი დაინტერესდა ეთერის პრობლემით მას შემდეგ, რაც წაიკითხა მაქსველის წერილი, რომელიც გამოქვეყნდა მაქსველის გარდაცვალების შემდეგ 1879 წელს, რომელშიც აღწერილი იყო ეთერის მიმართ დედამიწის მოძრაობის აღმოჩენის წარუმატებელი მცდელობა ჟურნალ Nature-ში..
1881 წელს ჩატარდა მაიკლსონის პირველი ექსპერიმენტი, რათა დაედგინა სინათლის სიჩქარე, რომელიც გავრცელდა სხვადასხვა მიმართულებით ეთერთან, დედამიწასთან მოძრავი დამკვირვებლის მიმართ.
ორბიტაზე მოძრავი დედამიწა უნდა დაექვემდებაროს ეგრეთ წოდებულ ეთერულ ქარის მოქმედებას - მოძრავ სხეულზე გაშვებული ჰაერის ნაკადის მსგავსი ფენომენი. მონოქრომატული სინათლის სხივი, რომელიც მიმართულია ამ „ქარის“პარალელურად, მიემართება მისკენ, ცოტას დაკარგავს სიჩქარეს და პირიქით (სარკიდან ასახული) საპირისპირო მიმართულებით. სიჩქარის ცვლილება ორივე შემთხვევაში ერთნაირია, მაგრამ ის მიიღწევა სხვადასხვა დროს: შენელებულ „შემომავალ“სხივს მეტი დრო დასჭირდება. ასე რომ, სინათლის სიგნალი"ეთერის ქარის" პარალელურად გამოსხივებული აუცილებლად დაყოვნებული იქნება იმავე მანძილზე გამავალი სიგნალის მიმართ, ასევე სარკედან ასახვით, მაგრამ პერპენდიკულარული მიმართულებით.
ამ შეფერხების დასარეგისტრირებლად გამოიყენეს თავად მაიკლსონის მიერ გამოგონილი მოწყობილობა - ინტერფერომეტრი, რომლის მოქმედება დაფუძნებულია თანმიმდევრული სინათლის ტალღების სუპერპოზიციის ფენომენზე. თუ ერთ-ერთი ტალღა დაყოვნებული იყო, ჩარევის ნიმუში შეიცვლება მიღებული ფაზის სხვაობის გამო.
მიკელსონის პირველმა ექსპერიმენტმა სარკეებთან და ინტერფერომეტრთან დაკავშირებით არ მისცა ცალსახა შედეგი მოწყობილობის არასაკმარისი მგრძნობელობისა და მრავალი ჩარევის (ვიბრაციის) შეუფასებლობის გამო და გამოიწვია კრიტიკა. საჭირო იყო სიზუსტის მნიშვნელოვანი გაუმჯობესება.
განმეორებითი გამოცდილება
1887 წელს მეცნიერმა გაიმეორა ექსპერიმენტი თავის თანამემამულე ედვარდ მორლისთან ერთად. მათ გამოიყენეს მოწინავე ინსტალაცია და განსაკუთრებული ყურადღება მიაქციეს გვერდითი ფაქტორების გავლენის აღმოფხვრას.
გამოცდილების არსი არ შეცვლილა. ლინზების საშუალებით შეგროვებული სინათლის სხივი 45°-იანი კუთხით დაყენებულ ნახევრად გამჭვირვალე სარკეზე მოხვდა. აქ მან გაიყო: ერთი სხივი შეაღწია გამყოფში, მეორე წავიდა პერპენდიკულარული მიმართულებით. შემდეგ თითოეული სხივი აისახებოდა ჩვეულებრივი ბრტყელი სარკის საშუალებით, დაბრუნდა სხივის გამყოფში და შემდეგ ნაწილობრივ მოხვდა ინტერფერომეტრზე. ექსპერიმენტატორები დარწმუნებულნი იყვნენ „ეთერული ქარის“არსებობაში და მოსალოდნელია, რომ მიიღებდნენ ჩარევის ზღურბლის მესამედზე მეტს სრულიად გაზომვადი ცვლას.
შეუძლებელი იყო მზის სისტემის მოძრაობის უგულებელყოფა კოსმოსში, ამიტომ ექსპერიმენტის იდეა მოიცავდა ინსტალაციის ბრუნვის შესაძლებლობას "ეთერული ქარის" მიმართულების დაზუსტების მიზნით.
ვიბრაციის ჩარევისა და სურათის დამახინჯების თავიდან ასაცილებლად მოწყობილობის მობრუნებისას, მთელი კონსტრუქცია მოთავსდა მასიურ ქვის ფილაზე სუფთა ვერცხლისწყალში მცურავი ხის ტოროიდული ფლოტით. ინსტალაციის ქვეშ არსებული საძირკველი კლდეზე იყო ჩაფლული.
ექსპერიმენტის შედეგები
მეცნიერები აწარმოებდნენ ფრთხილად დაკვირვებებს მთელი წლის განმავლობაში, ატრიალებდნენ ფირფიტას მოწყობილობის ისრის მიმართულებით და საათის ისრის საწინააღმდეგოდ. ჩარევის ნიმუში დაფიქსირდა 16 მიმართულებით. და მიუხედავად მისი ეპოქისთვის უპრეცედენტო სიზუსტისა, მაიკლსონის ექსპერიმენტმა, მორლისთან თანამშრომლობით, უარყოფითი შედეგი გამოიღო.
ფაზური სინათლის ტალღები, რომლებიც ტოვებენ სხივის გამყოფს, მიაღწიეს ფინიშის ხაზს ფაზური ცვლის გარეშე. ეს მეორდებოდა ყოველ ჯერზე, ინტერფერომეტრის ნებისმიერ პოზიციაზე და ნიშნავდა, რომ სინათლის სიჩქარე მაიკლსონის ექსპერიმენტში არავითარ შემთხვევაში არ იცვლებოდა.
ექსპერიმენტის შედეგების შემოწმება არაერთხელ განხორციელდა, მათ შორის XX საუკუნეში, ლაზერული ინტერფერომეტრებისა და მიკროტალღური რეზონატორების გამოყენებით, მიაღწია სინათლის სიჩქარის მეათე მილიარდი ნაწილის სიზუსტეს. გამოცდილების შედეგი ურყევი რჩება: ეს მნიშვნელობა უცვლელია.
ექსპერიმენტის მნიშვნელობა
მიკელსონისა და მორლის ექსპერიმენტებიდან გამომდინარეობს, რომ „ეთერული ქარი“და, შესაბამისად, თავად ეს გაუგებარი მატერია უბრალოდ არ არსებობს.თუ რაიმე ფიზიკური ობიექტი ფუნდამენტურად არ არის გამოვლენილი რომელიმე პროცესში, ეს მისი არარსებობის ტოლფასია. ფიზიკოსებმა, მათ შორის ბრწყინვალედ დადგმული ექსპერიმენტის ავტორებმა, მაშინვე ვერ გააცნობიერეს ეთერის კონცეფციის კოლაფსი და მასთან ერთად აბსოლუტური მითითების სისტემა.
მხოლოდ ალბერტ აინშტაინმა 1905 წელს მოახერხა ექსპერიმენტის შედეგების თანმიმდევრული და ამავე დროს რევოლუციური ახალი ახსნის წარმოდგენა. ამ შედეგების გათვალისწინების გარეშე, მათზე სპეკულაციური ეთერის გამოყვანის მცდელობის გარეშე, აინშტაინი მივიდა ორ დასკვნამდე:
- არავითარი ოპტიკური ექსპერიმენტი ვერ აღმოაჩენს დედამიწის სწორხაზოვან და ერთგვაროვან მოძრაობას (მისი ასეთად მიჩნევის უფლება მოცემულია დაკვირვების აქტის მოკლე ხანგრძლივობით).
- ნებისმიერი საცნობარო ინერციული ჩარჩოს მიმართ, სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში უცვლელია.
ეს დასკვნები (პირველი - ფარდობითობის გალილეის პრინციპთან ერთად) დაედო საფუძვლად აინშტაინის ფორმულირებას მისი ცნობილი პოსტულატების შესახებ. ასე რომ, მაიკლსონ-მორლის ექსპერიმენტი იყო მყარი ემპირიული საფუძველი ფარდობითობის სპეციალური თეორიისთვის.
