Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce. Wojciech Sady

Чтение книги онлайн.

СКАЧАТЬ ulega modyfikacji wskutek ruchu Ziemi. Żadnego takiego związku nie stwierdził.

      W 1868 Martin Hoek ogłosił artykuł o wyznaczaniu prędkości światła w ośrodku pozostającym w ruchu. Badał interferencję promieni, z których pierwszy biegł w jedną stronę w powietrzu, a w drugą przez rurę wypełnioną nieruchomą wodą, a drugi na odwrót. Gdyby wskutek ruchu Ziemi światło przy jej powierzchni rozchodziło się z prędkością c – v_z w kierunku jej ruchu, a c + v_z w kierunku przeciwnym, to obrót całego układu zmieniałby obraz interferencyjny. Hoek żadnej zmiany nie zauważył, co według jego obliczeń potwierdziło wartość współczynnika unoszenia eteru Fresnela z dokładnością do 1/55.

      W eksperymentach Fizeau i Hoeka interferujące promienie biegły po torach do siebie równoległych. Eduard Ketteler w artykule o wpływie ruchów ciał niebieskich na zjawiska optyczne z 1872 przedstawił wyniki badań nad interferencją dwóch promieni biegnących w rurach nachylonych pod pewnym kątem. Okazały się zgodne z przewidywaniami wynikającymi z hipotezy częściowego unoszenia eteru we wnętrzach ciał przezroczystych.

      Skoro kąt aberracji gwiezdnej określony jest wzorem tg α = v_z/c, a prędkość światła w wodzie jest mniejsza niż w powietrzu, to gdyby eter wypełniający przestrzeń był nieruchomy, po wlaniu wody do teleskopu kąt ten by się zwiększył. Wbrew temu Stokes zauważył: „Nie ma oczywiście znaczenia, czy gwiazdę obserwuje się przez zwykły teleskop, czy też przez teleskop, którego obudowę wypełniono płynem” (1846a), co znów wyjaśniała hipoteza Fresnela. Nie wiemy, czy Stokes faktycznie obserwował gwiazdy przez teleskop napełniony wodą. Uczynił to George Airy w 1871 i stwierdził, że nie zmienia to kąta aberracji.

      A jednak dziwaczność hipotezy Fresnela powodowała, że nie tylko Fizeau – mimo uzyskanych wyników – podchodził do niej z rezerwą. Podobne zastrzeżenia wyrażali Ketteler czy Wilhelm Veltmann. Ten ostatni zauważył w 1870 m.in., że skoro współczynniki załamania światła są różne dla różnych barw, to eter dla różnych barw powinien być unoszony w różnym stopniu. Jako ciekawostkę można dodać, że Veltmann rozróżniał trzy rodzaje ruchów światła: ruch względny w odniesieniu do ciał materialnych, ruch absolutny względem eteru i ruch rzeczywisty względem przestrzeni (w odniesieniu do której eter może być w ruchu).

      Éleuthère Mascart na początku lat 1870. przeprowadził szereg eksperymentów, w których – używając światła pochodzącego zarówno z ciał niebieskich, jak i ze źródeł laboratoryjnych – z wielką precyzją badał odbicie, załamanie, dyfrakcję, polaryzację przez substancje dwójłomne czy skręcenie płaszczyzny polaryzacji przez kryształ górski. Żadnych, poza efektem Dopplera, wpływów ruchu Ziemi na przebieg zjawisk optycznych nie stwierdził. Przedstawiając te rezultaty, kończył wnioskiem, który można uznać za pierwszy wyraz tego, co dziś nazywamy zasadą względności:

      Ogólny wniosek z tych rozważań byłby taki, że ruch translacyjny Ziemi nie wywiera znaczącego wpływu na zjawiska optyczne wytwarzane przez ziemskie źródło lub przez Słońce, że zjawiska te nie dostarczają żadnych środków pozwalających mierzyć absolutny ruch ciała, oraz że ruchy względne są jedynymi, które możemy wyznaczać (Mascart 1874).

      Wszystkie eksperymenty wspomniane do tej pory pozwalały stwierdzić, że jeśli ruch Ziemi wpływa na przebieg zjawisk optycznych, to w stopniu mniejszym niż v_z/c. Wreszcie Albert A. Michelson – wysłany ze Stanów Zjednoczonych na studia do Berlina – przeprowadził w 1881 eksperyment pozwalający wykryć efekty rzędu v_z²/c². Przedmiotem jego badań była interferencja promieni świetlnych poruszających się w powietrzu. W takim przypadku teoria Fresnela kazała przyjąć – skoro współczynnik załamania światła przez powietrze jest bardzo mały – że eter jest niemal nieruchomy. Jeden z promieni biegł równolegle, a drugi prostopadle do kierunku ruchu orbitalnego Ziemi. Po zanotowaniu położenia prążków interferencyjnych Michelson obracał aparaturę o 90º. Obliczając spodziewane według teorii Fresnela przesunięcie prążków interferencyjnych wywołane obrotem urządzenia, popełnił poważny błąd, przyjmując, że ruch Ziemi nie zmienia drogi promienia prostopadłego do kierunku jej ruchu – i otrzymał wartość 0,04 szerokości prążka. Eksperymentalnie stwierdził, że jeśli obraz interferencyjny ulega przesunięciu, to raz o 0,004, innym razem o 0,015 tej szerokości, niekiedy zaś nie obserwował żadnych zmian. Wspomniane niezerowe przesunięcia mieściły się w granicach spodziewanych błędów pomiarowych, związanych ze zmianami temperatury i drganiami interferometru. A zatem:

      Te wyniki świadczą o tym, że nie występuje przesunięcie prążków interferencyjnych. Wykazano zatem, że konsekwencja hipotezy stacjonarnego eteru jest nieprawidłowa, a stąd konieczny wniosek, iż ta hipoteza jest błędna (Michelson 1881).

      Artykuł kończy cytat ze (Stokes 1846a). Wprawdzie Michelson wyraźnie się po stronie teorii Stokesa nie opowiedział, jednak sam cytat wskazuje na to, że z nią sympatyzował.

      Początkowo artykuł Michelsona nie wzbudził odzewu, a on sam zaraz po jego publikacji zmienił problematykę badawczą. Gdy Alfred Potier wskazał mu na wspomniany wyżej błąd obliczeniowy, nie przesłał sprostowania.

      Hendrik A. Lorentz w (1886) zauważył, że popełniając błąd obliczeniowy, Michelson zawyżył oczekiwany efekt. Z drugiej strony Lorentz wykazał, że teoretyczne założenia, jakie przyjął Stokes, były sprzeczne: zgodnie z prawami mechaniki eter nie mógłby poruszać się bezwirowo. Holenderski fizyk nie wykluczył natomiast, że eter przylegający do Ziemi porusza się z prędkością równą połowie prędkości jej ruchu – co by wystarczyło, aby poprawnie obliczone przesunięcie prążków interferencyjnych w eksperymencie Michelsona mieściło się w granicach błędów pomiarowych. Obserwacje aberracji gwiezdnej i efektu Dopplera, podkreślał Lorentz, ujawniają wokółsłoneczny ruch Ziemi, natomiast wyniki pozostałych eksperymentów są takie, jak gdyby była ona nieruchoma.

      2.5. Patowa sytuacja po dwóch eksperymentach Michelsona i Morleya

      Michelson po powrocie do Stanów Zjednoczonych nawiązał współpracę z Edwardem Morleyem. Pod presją analiz Lorentza powtórzyli eksperyment Fizeau z 1851 (Michelson, Morley 1886). Zredukowali możliwe wpływy deformacji elementów optycznych na wyniki, ustabilizowali przepływ wody i zwiększyli dokładność pomiaru jej prędkości. Uzyskali zgodność z przewidywaniami wynikającymi z teorii Fresnela rzędu 1%. Następnie powtórzyli, w znacznie udoskonalonej postaci, eksperyment Michelsona z 1881 (Michelson, Morley 1887). Interferometr, by zminimalizować wpływ drgań i zmian temperatur, został umieszczony na kamiennej płycie pływającej w zbiorniku z rtęcią, a przez odbicie od kolejnych luster wydłużono drogę promieni świetlnych, tym samym zwiększając oczekiwany efekt.

      Zajrzyjmy do artykułu z 1887. Obaj uczeni na wstępie wspominają o zjawisku aberracji gwiezdnej i jego wyjaśnieniu najpierw w ramach korpuskularnej, a następnie m-falowej teorii światła. Przemilczają pomiary Arago z 1810, wspominają natomiast o tym, że „[…] aberracja nie uległa zmianie, gdy obserwacje przeprowadzono za pomocą teleskopu wypełnionego wodą”.

      Zgodnie z teorią falową, według Fresnela, po pierwsze, eter ma pozostawać w spoczynku, z wyjątkiem wnętrz ośrodków przezroczystych, w których, po drugie, ma się poruszać z prędkością mniejszą niż prędkość ośrodka w stosunku (n² – 1)/n², gdzie n to współczynnik załamania. Te dwie hipotezy dostarczają pełnego i zadowalającego wyjaśnienia aberracji. Drugą hipotezę, pomimo jej pozornego nieprawdopodobieństwa, СКАЧАТЬ