در نیمه دوم قرن نوزدهم، دیدگاه‌های فیزیکی در مورد ماهیت انتشار نور، عمل گرانش و برخی پدیده‌های دیگر بیش از پیش با مشکلاتی روبه‌رو شدند. آنها با مفهوم اثیری حاکم در علم مرتبط بودند. ایده انجام آزمایشی که به قول خودشان تضادهای انباشته شده را حل کند، در هوا بود.
در دهه 1880، یک سری آزمایش انجام شد، بسیار پیچیده و ظریف برای آن زمان - آزمایشات مایکلسون برای مطالعه وابستگی سرعت نور به جهت حرکت ناظر. قبل از پرداختن به جزئیات بیشتر در مورد توصیف و نتایج این آزمایشات معروف، لازم است یادآوری کنیم که مفهوم اتر چیست و چگونه فیزیک نور درک می شود.
دیدگاه های قرن نوزدهم در مورد طبیعت جهان
در آغاز قرن، نظریه امواج نور پیروز شد و تجربیات درخشانی دریافت کرد.تأیید در آثار یونگ و فرنل، و بعدها - و توجیه نظری در کار ماکسول. نور کاملاً غیرقابل انکار ویژگی‌های موجی را نشان می‌دهد، و نظریه جسمی در زیر انبوهی از حقایق مدفون شد که نمی‌توانست توضیح دهد (فقط در آغاز قرن بیستم بر مبنایی کاملاً جدید احیا می‌شد).
با این حال، فیزیک آن دوران نمی توانست انتشار یک موج را غیر از ارتعاشات مکانیکی یک رسانه تصور کند. اگر نور یک موج است و می‌تواند در خلاء منتشر شود، دانشمندان چاره‌ای ندارند جز اینکه فرض کنند خلاء با ماده خاصی پر شده است، زیرا ارتعاشات آن امواج نور را هدایت می‌کند.
آتر نورانی
ماده اسرارآمیز، بی وزن، نامرئی، که توسط هیچ وسیله ای ثبت نشده بود، اتر نام داشت. آزمایش مایکلسون فقط برای تأیید واقعیت تعامل آن با دیگر اشیاء فیزیکی طراحی شده است.
فرضیه هایی درباره وجود ماده اثیری توسط دکارت و هویگنس در قرن هفدهم بیان شد، اما در قرن نوزدهم به عنوان هوا ضروری شد و در عین حال به پارادوکس های نامحلول منجر شد. واقعیت این است که برای اینکه اتر به طور کلی وجود داشته باشد، باید دارای ویژگی های متقابل انحصاری یا، به طور کلی، از نظر فیزیکی غیر واقعی باشد.
تضادهای مفهوم اتر
برای مطابقت با تصویر جهان مشاهده شده، اتر درخشان باید کاملاً بی حرکت باشد - در غیر این صورت این تصویر دائماً تحریف می شود. اما عدم تحرک او در تضاد آشتی ناپذیری با معادلات و اصل ماکسول بودنسبیت گالیله برای حفظ آنها، لازم بود اعتراف کنیم که اتر توسط اجسام متحرک منتقل می شود.
علاوه بر این، تصور می شد که ماده اتری کاملاً جامد، پیوسته و در عین حال به هیچ وجه مانع حرکت اجسام از طریق آن نمی شود، تراکم ناپذیر و علاوه بر آن دارای خاصیت ارتجاعی عرضی است، در غیر این صورت امواج الکترومغناطیسی را هدایت نمی کند. علاوه بر این، اتر به عنوان یک ماده فراگیر در نظر گرفته شد که باز هم با ایده اشتیاق او مطابقت ندارد.
ایده و اولین تولید آزمایش مایکلسون
فیزیکدان آمریکایی آلبرت مایکلسون پس از خواندن نامه ماکسول که پس از مرگ ماکسول در سال 1879 منتشر شد و تلاش ناموفق برای تشخیص حرکت زمین نسبت به اتر را در مجله Nature توصیف کرد، به مشکل اتر علاقه مند شد..
در سال 1881، اولین آزمایش مایکلسون برای تعیین سرعت انتشار نور در جهات مختلف نسبت به اتر، ناظری که با زمین حرکت می کند، انجام شد.
زمین که در مدار حرکت می کند، باید تحت تأثیر باد به اصطلاح اثیری قرار گیرد - پدیده ای شبیه جریان هوا که روی جسم متحرک جریان دارد. یک پرتو نور تک رنگ که به موازات این "باد" هدایت می شود به سمت آن حرکت می کند و کمی سرعت خود را از دست می دهد و برعکس (بازتاب از آینه) در جهت مخالف. تغییر سرعت در هر دو مورد یکسان است، اما در زمان‌های متفاوتی به دست می‌آید: پرتوی "مقابله" کندتر طول می‌کشد تا حرکت کند. بنابراین سیگنال نورمنتشر شده موازی با "باد اتری" لزوماً نسبت به سیگنالی که همان فاصله را طی می کند، همچنین با انعکاس از آینه، اما در جهت عمود، تاخیر خواهد داشت.
برای ثبت این تأخیر، از دستگاهی اختراع شده توسط خود مایکلسون استفاده شد - تداخل سنج که عملکرد آن بر اساس پدیده برهم نهی امواج نوری منسجم است. اگر یکی از امواج تأخیر داشت، الگوی تداخل به دلیل اختلاف فاز حاصل تغییر می‌کرد.
اولین آزمایش مایکلسون با آینه ها و تداخل سنج به دلیل حساسیت ناکافی دستگاه و دست کم گرفتن تداخلات (ارتعاشات) متعدد نتیجه روشنی نداشت و باعث انتقاد شد. بهبود قابل توجهی در دقت مورد نیاز بود.
تجربه مکرر
در سال 1887، دانشمند این آزمایش را به همراه هموطنش ادوارد مورلی تکرار کرد. آنها از یک تنظیمات پیشرفته استفاده کردند و مراقبت ویژه ای برای از بین بردن تأثیر عوامل جانبی انجام دادند.
جوهر تجربه تغییر نکرده است. پرتو نور جمع آوری شده با استفاده از یک عدسی بر روی یک آینه نیمه شفاف که با زاویه 45 درجه تنظیم شده بود، برخورد کرد. در اینجا او تقسیم کرد: یک پرتو از طریق تقسیم کننده نفوذ کرد، دومی در جهت عمود برود. سپس هر یک از پرتوها توسط یک آینه مسطح معمولی منعکس شده، به شکاف دهنده پرتو بازگشته و سپس تا حدی به تداخل سنج برخورد می کند. آزمایش‌کنندگان به وجود "باد اثیری" اطمینان داشتند و انتظار داشتند که یک جابجایی کاملاً قابل اندازه‌گیری بیش از یک سوم حاشیه تداخل داشته باشند.
غفلت از حرکت منظومه شمسی در فضا غیرممکن بود، بنابراین ایده آزمایش شامل قابلیت چرخش نصب به منظور تنظیم دقیق جهت "باد اثیری" بود.
برای جلوگیری از تداخل ارتعاشی و اعوجاج تصویر هنگام چرخاندن دستگاه، کل سازه بر روی یک تخته سنگی عظیم با یک شناور حلقوی چوبی شناور در جیوه خالص قرار داده شد. شالوده زیر این تاسیسات روی صخره مدفون شد.
نتایج تجربی
دانشمندان در طول سال مشاهدات دقیقی انجام دادند و صفحه را با دستگاه در جهت عقربه‌های ساعت و خلاف جهت عقربه‌های ساعت چرخاندند. الگوی تداخل در 16 جهت ثبت شد. و با وجود دقت بی‌سابقه‌ای برای دوران خود، آزمایش مایکلسون، که با همکاری مورلی انجام شد، نتیجه منفی داد.
امواج نور درون فازی که از تقسیم کننده پرتو خارج می شوند بدون تغییر فاز به خط پایان رسیدند. این کار هر بار در هر موقعیتی از تداخل سنج تکرار می شد و به این معنی بود که سرعت نور در آزمایش مایکلسون تحت هیچ شرایطی تغییر نمی کرد.
بررسی نتایج آزمایش به طور مکرر انجام شد، از جمله در قرن بیستم، با استفاده از تداخل سنج های لیزری و تشدید کننده های مایکروویو، که به دقت یک ده میلیاردم سرعت نور رسید. نتیجه تجربه تزلزل ناپذیر می ماند: این مقدار بدون تغییر است.
معنای آزمایش
از آزمایش‌های مایکلسون و مورلی چنین برمی‌آید که «باد اثیری» و در نتیجه، خود این ماده گریزان به سادگی وجود ندارد.اگر هر شیء فیزیکی اساساً در هیچ فرآیندی شناسایی نشود، این به منزله عدم وجود آن است. فیزیکدانان، از جمله نویسندگان آزمایشی که به طرز درخشانی صحنه سازی شده بود، فوراً به فروپاشی مفهوم اتر و همراه با آن چارچوب مطلق مرجع پی نبردند.
فقط آلبرت انیشتین در سال 1905 موفق شد توضیح جدیدی منسجم و در عین حال انقلابی از نتایج آزمایش ارائه دهد. انیشتین با در نظر گرفتن این نتایج به این صورت که هستند، بدون اینکه بخواهد اتر حدس و گمان را به آنها بکشاند، به دو نتیجه رسید:
- هیچ آزمایش اپتیکی نمی تواند حرکت مستقیم و یکنواخت زمین را تشخیص دهد (حق در نظر گرفتن آن به این صورت با مدت زمان کوتاه عمل رصد داده می شود).
- با توجه به هر چارچوب مرجع اینرسی، سرعت نور در خلاء بدون تغییر است.
این نتیجه گیری (نخستین - در ترکیب با اصل نسبیت گالیله) به عنوان مبنایی برای فرمول بندی اینشتین از فرضیه های معروفش بود. بنابراین آزمایش مایکلسون-مورلی به عنوان یک مبنای تجربی محکم برای نظریه نسبیت خاص عمل کرد.
