Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce. Wojciech Sady

Чтение книги онлайн.

СКАЧАТЬ nieistnienie podłużnych fal świetlnych wyjaśnić, dodając do mechanicznego programu badawczego rozmaite hipotezy ad hoc. Fresnel twierdził, że eter jest ciałem całkowicie nieściśliwym. Ale gdy teoretycznie analizował zjawisko załamania światła na granicy dwóch ośrodków, to – by otrzymać formuły zgodne z wynikami eksperymentów – musiał porzucić to założenie. Nigdy mechanicznie niesprzecznej teorii zjawisk świetlnych nie przedstawił. W 1839 Augustin Cauchy zauważył, że – zgodnie z prawami mechaniki – takie fale by nie powstawały, gdyby współczynnik sprężystości objętości wynosił –4/3 współczynnika sprężystości kształtu (fizycznie oznaczało to, że eter na ucisk reaguje dalszym skurczem, co z kolei groziło jego mechaniczną niestabilnością). W tym samym roku James MacCullagh stwierdził, że – znów zgodnie z klasycznymi prawami ruchów ciał – fale podłużne nie powstawałyby w ośrodku, który reaguje sprężyście jedynie na skręcenia. Jak to możliwe, tego nie wyjaśnił. Jego pomysł rozwinął William Rankine w 1850, większość raziła jednak dziwaczność takiej hipotezy.

      Kolejny problem pojawił się, gdy w 1810 Arago, używając teorii korpuskularnej, chciał zbadać eksperymentalnie, czy gwiazdy emitują światło z tą samą prędkością. Współczynnik załamania światła miał, według wspomnianej teorii, zależeć od prędkości, z jaką światło dociera do granicy ośrodków. Nikt nie wątpił w to, że Ziemia porusza się wokół Słońca z prędkością v_z ≈ 30 km/s, a zatem światło gwiazd, do których Ziemia właśnie zbliża się w swym ruchu orbitalnym, powinno docierać z prędkością większą o ok. 60 km/s niż światło gwiazd, od których Ziemia się oddala. Okazało się, że (w granicach dokładności pomiarów) światło załamuje się w pryzmacie tak, jak gdyby docierało do niego z tą samą prędkością ze wszystkich kierunków. Można było sądzić, że tej różnicy nie ma dlatego, iż cały Układ Słoneczny porusza się akurat względem eteru w stronę przeciwną do orbitalnego ruchu Ziemi z podobną prędkością. Wtedy jednak przewidywany efekt wystąpiłby po pół roku dwukrotnie powiększony – co się nie stało.

      Znów pojawiły się hipotezy ad hoc. Fresnel (1818) rozumował, jak można przypuścić, następująco: Prędkość rozchodzenia się fal poprzecznych w ośrodku o współczynniku sprężystości k i gęstości masy ρ dana jest wzorem v = (k/ρ)^1/2. Teoria m-falowa wymagała, by ta prędkość była odwrotnie proporcjonalna do współczynnika załamania n. Wynikało stąd, że albo eter wewnątrz np. szkła jest mniej sprężysty niż w próżni, albo jest gęstszy, albo zachodzi odpowiednia kombinacja obu czynników. Jeśli wybierzemy tę drugą możliwość, będzie to oznaczać, że ciało przezroczyste, poruszając się w próżni, unosi nadwyżkę gęstości eteru ze sobą. Gdyby takie ciało poruszało się względem eteru „kosmicznego” z prędkością u, to środek masy eteru ciało to wypełniającego poruszałby się z prędkością w = (1 – (1/n)²)u. Rekompensowałoby to z dokładnością do wielkości rzędu v_z/c ≈ 10^–4 wpływ ruchu Ziemi na wyniki eksperymentu Arago. Osiągnięcie większej dokładności pomiarów nie było w tym czasie możliwe.

      Trzecia grupa problemów związana była ze zjawiskiem aberracji gwiezdnej, wspomnianym w § 2.1. Można go było prosto wyjaśnić w ramach teorii m-falowej, przyjmując – i tak uczynił Fresnel – że eter wypełniający całą przestrzeń jest nieruchomy (może z wyjątkiem nadwyżki we wnętrzach ciał przezroczystych). Równało się to jednak przyjęciu „zdumiewającej hipotezy, że eter świetlny przenika swobodnie przez ściany teleskopu i przez samą Ziemię” (Stokes 1845). Musiało to budzić poważne wątpliwości, skoro Fresnelowski eter miał być czymś w rodzaju nieściśliwego ciała stałego. Christian Doppler w artykule, w którym przewidział teoretycznie efekt określany dziś jego nazwiskiem, stwierdzał w związku z tym, że teoria światła jako fal poprzecznych „jest sama w sobie wewnętrznie wielce nieprawdopodobna” (Doppler 1842, § 1).

      By owej dziwaczności uniknąć, George Stokes sformułował alternatywne m-falowe wyjaśnienie aberracji, zachowując przy tym hipotezę poprzeczności fal świetlnych. Skoro planety poruszają się w eterze bez widocznych przeszkód, to trzeba przyjąć, że ma on własności cieczy lub gazu. Jednak zjawiska polaryzacji świadczą o tym, że fale świetlne są poprzeczne, takie zaś powstają tylko w ciałach stałych. Uczony, łącząc te konkluzje, stwierdzał, że eter jest nieściśliwą cieczą o dużej lepkości, tak że względem ruchów niesłychanie szybkich, takich jak drgania świetlne, zachowuje się niczym ciało stałe, ale niczym ciecz względem ruchów tysiące razy wolniejszych (1846b). Kolejny wniosek – wsparty obserwacją świeżego miodu mieszanego patykiem – był następujący:

      […] Ziemia i planety unoszą ze sobą część eteru, tak że eter bliski ich powierzchniom pozostaje względem tych powierzchni w spoczynku, natomiast jego prędkość zmienia się w miarę wzrostu odległości od powierzchni, aż, w niezbyt dużej odległości, pozostaje on w przestrzeni w spoczynku (Stokes 1845).

      Aby uzyskać – z matematycznego punktu widzenia – wyjaśnienie aberracji gwiezdnej, Stokes założył, iż „[…] eter porusza się w taki sposób, że wyrażenie zapisywane zazwyczaj jako v_xdx + v_ydy + v_zdz jest różniczką zupełną” (Stokes 1848), co oznacza, że eter porusza się ruchem bezwirowym. Gdyby tak się działo, fale świetlne, docierając do Ziemi, stopniowo zmieniałyby kierunek ruchu. Stokes nie wspomniał o obserwacjach Arago z 1810, również w artykule, w którym omawiał teorię Fresnela (Stokes 1846a), niemniej jego teoria natychmiast wyjaśniała ich negatywne wyniki: fale poruszają się ze stałą prędkością względem ośrodka, a skoro otaczający Ziemię eter wędruje wraz z nią, to światło przy jej powierzchni porusza się z tą samą prędkością względem niej we wszystkich kierunkach.

      2.4. Daremne próby przeprowadzenia experimentum crucis między hipotezami ad hoc

      Hippolyte Fizeau w (1851) jako konkurencyjne wyjaśnienia zjawiska aberracji w ramach teorii m-falowej wymienił hipotezy Fresnela, Stokesa, Jamesa Challisa, Dopplera, wspomniał też o innych. Podzielił je na trzy grupy. Albo eter porusza się wraz z ciałami, których wnętrza wypełnia, albo pozostaje zawsze nieruchomy, albo uczestniczy w ruchu ciał częściowo.

      Tę ostatnią hipotezę wysunął Fresnel, a zbudował ją po to, by w równej mierze sprostać zjawisku aberracji, jak i słynnemu eksperymentowi p. Arago, który wykazał, że ruch Ziemi nie wywiera wpływu na załamanie, jakiemu ulega światło gwiazd w pryzmacie (Fizeau 1851).

      By eksperymentalnie rozstrzygnąć ten spór, Fizeau wykorzystał niezwykle dokładną, rozwiniętą wcześniej przez Arago, metodę. Badał interferencję promieni świetlnych przebywających drogę 1,5 m z prądem i pod prąd strumienia wody. Stwierdził, że w stosunku do obrazu uzyskanego, gdy woda była nieruchoma, przy szybkości strumienia 7 m/s prążki interferencyjne przesuwają się o 0,23 ich szerokości (była to wartość średnia z 19 pomiarów). Przesunięcie przewidziane na podstawie teorii Fresnela wynosiło 0,20. Dodatkowego potwierdzenia hipotezy Fresnela dostarczyły eksperymenty wykazujące, że „[…] ruch powietrza nie wytwarza żadnego dostrzegalnego przesunięcia prążków”, czego należało oczekiwać, jako że powietrze, w przeciwieństwie do wody, ma niewielki współczynnik załamania. Na koniec Fizeau podważył wiarygodność eksperymentów M. Babineta, których wyniki zdawały się przeczyć hipotezie Fresnela, po czym stwierdził:

      Wydaje mi się, że z uwagi na sukces eksperymentu konieczne jest przyjęcie hipotezy Fresnela, a przynajmniej prawa, które znalazł, aby wyrazić zmianę СКАЧАТЬ