19 ғасырдың екінші жартысында жарықтың таралу табиғаты, тартылыс күшінің әрекеті және басқа да кейбір құбылыстар туралы физикалық көзқарастар барған сайын айқын қиындықтарға тап бола бастады. Олар ғылымда үстемдік ететін эфирлік концепциямен байланысты болды. Жинақталған қайшылықтарды шешетін эксперимент жүргізу идеясы, олар айтқандай, ауада болды.
1880 жылдары сол кезең үшін өте күрделі және нәзік эксперименттер сериясы орнатылды - Мишельсонның жарық жылдамдығының бақылаушының қозғалыс бағытына тәуелділігін зерттеуге арналған эксперименттері. Осы атақты эксперименттердің сипаттамасы мен нәтижелеріне толығырақ тоқталмас бұрын, эфир ұғымы не болғанын және жарық физикасы қалай түсінілгенін еске түсіру керек.
19 ғасырдағы дүниенің табиғаты туралы көзқарастар
Ғасырдың басында жарықтың толқындық теориясы жеңіске жетіп, тамаша эксперименталдыЮнг пен Френель еңбектерінде растау, ал кейінірек – Максвелл жұмысында теориялық негіздеу. Жарық толқындық қасиетке ие болды, ал корпускулалық теория өзі түсіндіре алмайтын көптеген фактілердің астына көмілді (ол тек 20 ғасырдың басында мүлдем жаңа негізде қайта жанданатын еді).
Алайда, сол дәуірдің физикасы толқынның таралуын ортаның механикалық тербелісінен басқаша елестете алмады. Егер жарық толқын болса және ол вакуумде тарай алатын болса, ғалымдардың вакуум жарық толқындарын өткізетін тербелістеріне байланысты белгілі бір затпен толтырылған деп болжаудан басқа амалы болмады.
Жарқын эфир
Салмақсыз, көзге көрінбейтін, ешбір құрылғыда тіркелмеген жұмбақ зат эфир деп аталды. Мишельсон тәжірибесі оның басқа физикалық нысандармен әрекеттесу фактісін растау үшін ғана жасалған.
Эфирлік материяның бар екендігі туралы гипотезаларды 17 ғасырда Декарт пен Гюйгенс айтқан, бірақ ол 19 ғасырда ауа ретінде қажет болды және сонымен бірге ерімейтін парадокстарға әкелді. Жалпы өмір сүру үшін эфир бір-бірін жоққа шығаратын немесе жалпы физикалық тұрғыдан шынайы емес қасиеттерге ие болуы керек еді.
Эфир ұғымының қайшылықтары
Байқалатын дүниенің суретіне сәйкес болу үшін жарқыраған эфир мүлдем қозғалыссыз болуы керек - әйтпесе бұл сурет үнемі бұрмаланатын еді. Бірақ оның қозғалмайтындығы Максвелл теңдеулерімен және принципімен бітіспес қайшылықта болдыГалилей салыстырмалылығы. Оларды сақтау үшін эфирді қозғалыстағы денелер алып кететінін мойындау қажет болды.
Сонымен қатар эфирлік материя абсолютті қатты, үздіксіз және сонымен бірге ол арқылы денелердің қозғалысына еш кедергі келтірмейтін, сығылмайтын және оның үстіне көлденең серпімділікке ие, әйтпесе ол электромагниттік толқындарды өткізбейді деп есептелді. Сонымен қатар, эфир жан-жақты таралатын субстанция ретінде ойластырылған, ол қайтадан оның құмарлық идеясына сәйкес келмейді.
Мишельсон тәжірибесінің идеясы және алғашқы туындысы
Америкалық физик Альберт Мишельсон 1879 жылы Максвелл қайтыс болғаннан кейін жарияланған, Nature журналында Жердің эфирге қатысты қозғалысын анықтаудың сәтсіз әрекетін сипаттайтын Максвеллдің хатын оқығаннан кейін эфир мәселесіне қызығушылық танытты.
1881 жылы Мишельсонның бірінші тәжірибесі Жермен бірге қозғалатын бақылаушы эфирге қатысты әртүрлі бағытта таралатын жарық жылдамдығын анықтауға арналған.
Орбитада қозғалатын Жер эфирлік жел деп аталатын әрекетке ұшырауы керек - бұл қозғалыстағы денеде өтетін ауа ағынына ұқсас құбылыс. Осы «желге» параллель бағытталған монохроматикалық жарық шоғы оған қарай жылжиды, жылдамдығын аздап жоғалтады және керісінше (айнадан шағылысу) қарама-қарсы бағытта жүреді. Екі жағдайда да жылдамдықтың өзгеруі бірдей, бірақ ол әртүрлі уақытта қол жеткізіледі: баяулаған «қарсы келе жатқан» сәуленің жүруі ұзағырақ болады. Сонымен, жарық сигналы"эфир желіне" параллель шығарылатын сигнал бірдей қашықтықта, сонымен қатар айнадан шағылысуымен, бірақ перпендикуляр бағытта жүретін сигналға қатысты міндетті түрде кешіктіріледі.
Бұл кідірісті тіркеу үшін Мишельсонның өзі ойлап тапқан құрылғы – интерферометр қолданылды, оның жұмысы когерентті жарық толқындарының суперпозициясы құбылысына негізделген. Толқындардың бірі кешіктірілсе, нәтижесінде пайда болатын фазалар айырмашылығына байланысты интерференция үлгісі ауысады.
Мишельсонның айналармен және интерферометрмен жасаған алғашқы тәжірибесі құрылғының сезімталдығы жеткіліксіз болғандықтан және көптеген кедергілерді (дірілдерді) жете бағаламағандықтан біржақты нәтиже бермеді және сын тудырды. Дәлдігін айтарлықтай жақсарту қажет болды.
Қайталанатын тәжірибе
1887 жылы ғалым өзінің отандасы Эдвард Морлимен бірге тәжірибені қайталады. Олар кеңейтілген орнатуды қолданды және жанама факторлардың әсерін жоюға ерекше мән берді.
Тәжірибенің мәні өзгерген жоқ. Линзаның көмегімен жиналған жарық сәулесі 45° бұрышта орнатылған жартылай мөлдір айнаға түсті. Мұнда ол бөлді: бір сәуле бөлгіш арқылы өтті, екіншісі перпендикуляр бағытта өтті. Содан кейін сәулелердің әрқайсысы кәдімгі жалпақ айнамен шағылысты, сәуле бөлгішке оралды, содан кейін интерферометрге жартылай соқты. Экспериментаторлар "эфирлік желдің" бар екеніне сенімді болды және кедергі жиектерінің үштен бірінен астамы толығымен өлшенетін жылжу алады деп күтті.
Күн жүйесінің ғарыштағы қозғалысын елемеуге болмайды, сондықтан эксперимент идеясы «эфирлік желдің» бағытын дәл реттеу үшін қондырғыны айналдыру мүмкіндігін қамтыды.
Құрылғыны айналдырған кезде діріл кедергісін және суреттің бұрмалануын болдырмау үшін бүкіл құрылым таза сынапта қалқыған ағаш тороидальды қалқымалы үлкен тас тақтаға орналастырылды. Орнату астындағы іргетас жартасқа көмілген.
Эксперименттік нәтижелер
Ғалымдар жыл бойына мұқият бақылаулар жүргізді, пластинаны құрылғымен сағат тілімен және сағат тіліне қарсы айналдырды. Интерференция үлгісі 16 бағытта тіркелді. Ал өз дәуірінде бұрын-соңды болмаған дәлдікке қарамастан, Мишельсонның Морлимен бірлесіп жасаған тәжірибесі теріс нәтиже берді.
Сәуле бөлгішті қалдыратын фазалық жарық толқындары фазалық ығысусыз мәре сызығына жетті. Бұл интерферометрдің кез келген орнында әр уақытта қайталанып отырды және Мишельсон тәжірибесіндегі жарық жылдамдығы ешбір жағдайда өзгермейтінін білдірді.
Тәжірибе нәтижелерін тексеру бірнеше рет, соның ішінде XX ғасырда лазерлік интерферометрлер мен микротолқынды резонаторларды пайдаланып, жарық жылдамдығының он миллиардтан біріне дейінгі дәлдікке жеткен. Тәжірибе нәтижесі өзгермейді: бұл мән өзгермейді.
Тәжірибенің мәні
Мишельсон мен Морлидің тәжірибелерінен «эфирлік жел» және, демек, бұл қолға алынбайтын материяның өзі де жоқ екені шығады. Егер қандай да бір физикалық объект қандай да бір процестерде түбегейлі анықталмаса, бұл оның жоқтығымен бірдей. Физиктер, соның ішінде тамаша кезеңді эксперименттің авторлары, эфир тұжырымдамасының және онымен бірге абсолютті анықтамалық жүйенің күйреуін бірден түсінбеді.
1905 жылы Альберт Эйнштейн ғана эксперимент нәтижелерінің дәйекті және сонымен бірге революциялық жаңа түсіндірмесін ұсына алды. Осы нәтижелерді сол күйінде қарастыра отырып, оларға алыпсатарлық эфир тартуға тырыспастан, Эйнштейн екі қорытындыға келді:
- Ешбір оптикалық эксперимент Жердің түзу сызықты және бірқалыпты қозғалысын анықтай алмайды (оны осылай деп санау құқығы бақылау актінің қысқа ұзақтығымен беріледі).
- Кез келген инерциялық санақ жүйесіне қатысты, вакуумдегі жарық жылдамдығы өзгермейді.
Бұл тұжырымдар (бірінші – Галилей салыстырмалық принципімен үйлесімде) Эйнштейннің өзінің әйгілі постулаттарын тұжырымдауына негіз болды. Сонымен Мишельсон-Морли тәжірибесі арнайы салыстырмалық теориясы үшін берік эмпирикалық негіз болды.
