Gaismas ēteris — vēsturiskā teorija un Mišelsona–Morlija eksperiments
Gaismas ēteris — vēsturiska teorija un Mišelsona–Morlija eksperiments: no ētera mīta līdz Einšteina relativitātei, eksperimentu rezultāti un jaunākie pētījumi.
Gaismas ēteris bija hipotētiska, visur klātesoša viela, ko 19. gadsimta fiziķi iedomājās kā gaismas viļņu pārvades vidi. Tāpat kā ūdens nodod viļņus dīķī vai gaiss nodod skaņu, šķita loģiski iedomāties, ka arī gaisma — ja tā ir vilnis — prasa kādu «nesēju». Šai vielai tika piedēvētas īpašības, kas it kā ļautu gaismai izplatīties ar ļoti lielu ātrumu, bet tajā pašā laikā netraucētu debesu ķermeņu kustībai. Šo hipotēzi sauca arī par «luminifēro ēteri».
Ko domāja par ēteri un kādas īpašības tam piedēvēja
- Ēterim vajadzēja būt visuresošam — pildīt visu kosmosu, arī caur zvaigžņu un planētu iekšienēm.
- Tai bija jābūt ļoti stingrai, lai spētu nesošā veidā pārraidīt gaismas viļņus, taču vienlaikus pietiekami «neiekrampējošai», lai nepalēninātu vai neizmainītu planētu kustību.
- Ja Zeme pārvietotos caur ēteri, vajadzēja būt «ētera vējam» (ether wind), kas ietekmētu gaismas ātrumu atkarībā no novērotāja kustības virziena.
Mišelsona–Morlija eksperiments
Vairāki eksperimentu mēģinājumi 19. gadsimtā centās izsekot zīmes par ētera pastāvēšanu. Slavenākais no tiem — Mišelsona un Morlija eksperiments — izmantoja interferometru, lai mēģinātu noteikt atšķirības gaismas ceļā, kas radušās Zemes kustības dēļ attiecībā pret ēteri. Eksperimenta ideja bija vienkārša:
- ja Zeme kustas caur ēteri, tad gaismas ātrums gar kustības virzienu un perpendikulāri tam būtu atšķirīgs;
- tas radītu ceļa laika atšķirību starp divām perpendikulārām gaismas šķiedrām un novestu pie interferenču šķērssvītru (fringe) pārvietošanās, ko var aizdomīgi mērīt;
- Mišelsons un Morlijs tomēr neatrada gaidīto pārvietošanos — rezultāts bija praktiski «nules».
Nulles rezultāts norādīja, ka nav novērojama gaidāmā «ētera vēja», t. i., gaismas ātrums nemainās atkarībā no Zemes kustības virziena pret iespējamā ētera fona sistēmu.
Domāšanas piemērs ar kosmosa kuģi
Vienkāršs domu experiments palīdz saprast, kāpēc tas bija pārsteidzoši. Iedomājieties kosmosa kuģi, kas kustas ar pusi no gaismas ātruma (0,5c). No klasiskās (gaļas/mehāniskās) pieejas gaidītu, ka, ja no aizmugures nāk fotoni, to ātrums attiecībā pret kuģi būtu c + 0,5c = 1,5c (≈450 000 km/s), bet, ja no priekšas nāk fotoni, to ātrums būtu c − 0,5c = 0,5c (≈150 000 km/s). Tomēr reālos mērījumos — un to arī atspoguļoja eksperimenti — abos gadījumos gaismas ātrums tiek reģistrēts kā vienāds: c ≈ 300 000 km/s. Tas bija viens no iemesliem, kāpēc klasiskā ētera ideja sāka zaudēt ticamību.
Ātri par teorētiskajiem risinājumiem pirms Einšteina
Pēc Mišelsona–Morlija nulles rezultāta dažādi fiziķi centās saglabāt ētera ideju, piedāvājot mehānismus, kas maskētu sagaidāmās sekas. Piemēram, Lorenca un Fitzgeralda hipoteze par kontrakciju paredzēja, ka materiālu objektu garums kustības virzienā saīsinās, kompensējot ceļa laika atšķirību. Šīs idejas vēlāk kļuva par daļu no tehniskā pamata, no kura Alberts Einšteins izveidoja īpašo relativitāti 1905. gadā.
Sākums modernajai fizikai — Einšteina loma
Einšteina īpašā relativitāte atteicās no nepieciešamības pēc ētera, nosakot divus pamatprincipus:
- fizikas likumi ir vienādi visos inerciālajos atsaucpunkos;
- gaismas ātrums vakuumā ir nemainīgs un neatkarīgs no avota vai novērotāja kustības.
Šis ietvars skaidro, kāpēc Mišelsona–Morlija nulles rezultāts un citi mērījumi ir loģiski saskaņoti ar fundamentāliem fizikas principiem bez nepieciešamības ieviest ēteri.
Jaunākie pētījumi
Mūsdienu precizitātes mēģinājumi, izmantojot lāzera rezonatorus, atomu hodometriju un citas modernas metodes, ir daudz jutīgāki par oriģinālo Mišelsona–Morlija aparātu. Tie turpina apliecināt gaismas ātruma izotropiju vakuumā ar ārkārtīgi stingriem ierobežojumiem — anisotropija tiek meklēta un ierobežota līdz ļoti mazām vērtībām (eksperimentāli sasniegtie ierobežojumi ir aptuveni 10^-17 līmenī vai pat mazāk atkarībā no metodes). Tas nozīmē, ka, ja eksistētu kāda «ētera» ietekme uz gaismas ātrumu, tā būtu ārkārtīgi niecīga un līdz ar to neatšķirama no nulles ar pašreizējām metodēm.
Mūsdienu skatījums un ko tas nozīmē
Šodien fizikas teorijas (īpaši speciālā relatīvitāte un kvantu lauka teorija) darbojas bez nepieciešamības pēc luminifēra ētera. Tas nenozīmē, ka nav «fona» vai aizmugures fenomenu kosmosā — piemēram, kosmiskais mikrobaltumu fons (CMB) sniedz izvēles koordinātu sistēmu, kurā var runāt par «atpūtas rāmi» — tomēr tas nerada atšķirīgas gaismas ātruma vērtības atkarībā no kustības attiecībā pret šo rāmi. Fizikā joprojām tiek meklētas jaunas parādības, bet pašreizējie novērojumi un teorijas neparedz klasisku ēteri, kā to iedomājās 19. gadsimtā.
Kopsavilkums: gaismas ēteris bija vēsturiska hipotēze, kas mēģināja paskaidrot gaismas viļņu pārvadi. Mišelsona–Morlija eksperiments un vēlākā teorētiskā attīstība (īpaši Einšteina speciālā relativitāte) atcēla nepieciešamību pēc šādas vielas. Mūsdienu precīzie eksperimenti turpina apstiprināt, ka gaismas ātrums vakuumā ir konstantā un isotropa fiziska konstante.
Sarkanais kosmosa kuģis virzās no dzeltenās zvaigznes uz zilo zvaigzni. Ieliktnē apakšā parādīti abu zvaigžņu gaismas ātruma mērītāji.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir fotoporainais ēters?
A: Gaismas ēters ir viela, par kuru kādreiz uzskatīja, ka tā piepilda Visumu un izskaidro, kā gaismas viļņi var pārvietoties. Cilvēki uzskatīja, ka gaisma ir sava veida vilnis un ka, lai tai būtu vienmērīgs ātrums, tai ir jāplūst caur kādu vidi.
J: Ko cilvēki domāja par šo vielu?
A: Cilvēki uzskatīja, ka šai vielai bija jābūt ar ļoti zemu viskozitāti, lai tā neaizkavētu planētu kustību un neizraisītu to galu galā krišanu saulēs. Viņi arī uzskatīja, ka tas varētu palīdzēt izskaidrot, kāpēc gaisma pārvietojas ar tik lielu ātrumu.
J: Kā fiziķi mēģināja izskaidrot šo jautājumu?
A: Fiziķi veica eksperimentus, piemēram, Mišelsona un Morleja eksperimentu, lai noteiktu, vai gaismai patiešām ir neredzama vide, pa kuru tā pārvietojas.
J: Ko parādīja Mišelsona un Morlija eksperiments?
Atbilde: Mišelsona un Morlija eksperiments parādīja, ka gaisma nevar šķērsot nevienu vidi, kas norāda, ka nepastāv gaismu radošs ēters.
J: Kā mēs varam iedomāties, kas notiek, kad novērotājs ceļo laivā, kas pārvietojas okeāna straumē?
A: Ja novērotājs ceļotu ar laivu pa okeāna straumi, viņš vai viņa varētu novērot viļņu ātruma izmaiņas atkarībā no to attiecības ar straumi.
J: Ko tas mums stāsta par relatīvo ātrumu, ja iedomājamies kosmosa kuģi, kas ceļo no vienas zvaigznes uz otru?
Atbilde: Ja iedomājamies ļoti ātru kosmosa kuģi, kas no vienas zvaigznes uz otru ceļo ar pusi no gaismas ātruma, redzam, ka abu fotonu ātrums neatkarīgi no kustības vai virziena ir 300 000 km/s - tas norāda, ka ātrumi nemainās atkarībā no kosmosa kuģa kustības.
Meklēt