In de tweede helft van de 19e eeuw begonnen fysieke opvattingen over de aard van de voortplanting van licht, de werking van de zwaartekracht en enkele andere verschijnselen steeds duidelijker op moeilijkheden te stuiten. Ze waren verbonden met het etherische concept dat in de wetenschap domineert. Het idee om een experiment uit te voeren dat de geaccumuleerde tegenstellingen zou oplossen, zoals ze zeggen, hing in de lucht.
In de jaren 1880 werd een reeks experimenten opgezet, zeer complex en subtiel voor die tijd - Michelsons experimenten om de afhankelijkheid van de lichtsnelheid van de bewegingsrichting van de waarnemer te bestuderen. Voordat we dieper ingaan op de beschrijving en resultaten van deze beroemde experimenten, is het noodzakelijk om te herinneren wat het concept van ether was en hoe de fysica van licht werd begrepen.
19e-eeuwse opvattingen over de aard van de wereld
Aan het begin van de eeuw zegevierde de golftheorie van licht en ontving briljante experimentelebevestiging in het werk van Jung en Fresnel, en later - en theoretische rechtvaardiging in het werk van Maxwell. Licht vertoonde absoluut ontegensprekelijk golfeigenschappen, en de corpusculaire theorie werd begraven onder een stapel feiten die het niet kon verklaren (het zou pas aan het begin van de 20e eeuw nieuw leven worden ingeblazen op een geheel nieuwe basis).
De fysica van die tijd kon zich de voortplanting van een golf echter niet anders voorstellen dan door de mechanische trillingen van een medium. Als licht een golf is en het zich in een vacuüm kan voortplanten, hadden wetenschappers geen andere keuze dan aan te nemen dat het vacuüm gevuld is met een bepaalde substantie, vanwege de trillingen die lichtgolven geleiden.
Lichtgevende ether
De mysterieuze substantie, gewichtloos, onzichtbaar, door geen enkel apparaat geregistreerd, heette ether. Het experiment van Michelson was alleen bedoeld om de interactie met andere fysieke objecten te bevestigen.
Hypothesen over het bestaan van etherische materie werden in de 17e eeuw door Descartes en Huygens geuit, maar het werd noodzakelijk als lucht in de 19e eeuw en leidde tegelijkertijd tot onoplosbare paradoxen. Het feit is dat om in het algemeen te bestaan, de ether elkaar uitsluitende of, in het algemeen, fysiek onwerkelijke eigenschappen moest hebben.
Ether concept tegenstellingen
Om het beeld van de waargenomen wereld te evenaren, moet de lichtgevende ether absoluut onbeweeglijk zijn - anders zou dit beeld constant vervormd zijn. Maar zijn onbeweeglijkheid was onverenigbaar met de vergelijkingen van Maxwell en het principeGalilese relativiteit. Omwille van hun bewaring was het nodig om toe te geven dat de ether wordt meegesleept door bewegende lichamen.
Bovendien werd gedacht dat etherische materie absoluut solide, continu en tegelijkertijd op geen enkele manier de beweging van lichamen erdoorheen belemmerde, onsamendrukbaar was en bovendien transversale elasticiteit bezat, anders zou het geen elektromagnetische golven geleiden. Bovendien werd de ether opgevat als een alles doordringende substantie, wat wederom niet goed past bij het idee van zijn passie.
Het idee en de eerste productie van Michelsons experiment
De Amerikaanse natuurkundige Albert Michelson raakte geïnteresseerd in het etherprobleem na het lezen van Maxwells brief, gepubliceerd na Maxwells dood in 1879, waarin hij een mislukte poging beschrijft om de beweging van de aarde ten opzichte van de ether te detecteren in het tijdschrift Nature.
In 1881 vond Michelsons eerste experiment plaats om de snelheid te bepalen van het licht dat zich in verschillende richtingen voortplant ten opzichte van de ether, een waarnemer die met de aarde meebeweegt.
De aarde, die in een baan om de aarde beweegt, moet worden onderworpen aan de werking van de zogenaamde etherische wind - een fenomeen dat lijkt op de luchtstroom die op een bewegend lichaam stroomt. Een monochromatische lichtstraal die evenwijdig aan deze "wind" is gericht, zal ernaartoe bewegen, een beetje aan snelheid verliezen, en vice versa (reflecterend door de spiegel) in de tegenovergestelde richting. De verandering in snelheid is in beide gevallen hetzelfde, maar wordt in verschillende tijden bereikt: de vertraagde "tegenligger" straal zal langer duren om te reizen. Dus het lichtsignaaluitgezonden parallel aan de "etherwind" zal noodzakelijkerwijs worden vertraagd ten opzichte van een signaal dat dezelfde afstand aflegt, ook met reflectie van de spiegel, maar in een loodrechte richting.
Om deze vertraging te registreren, werd een door Michelson zelf uitgevonden apparaat gebruikt - een interferometer, waarvan de werking is gebaseerd op het fenomeen van superpositie van coherente lichtgolven. Als een van de golven vertraagd was, zou het interferentiepatroon verschuiven als gevolg van het resulterende faseverschil.
Michelson's eerste experiment met spiegels en een interferometer gaf geen eenduidig resultaat door onvoldoende gevoeligheid van het apparaat en onderschatting van talrijke interferenties (trillingen) en veroorzaakte kritiek. Aanzienlijke verbetering van de nauwkeurigheid was vereist.
Herhaalde ervaring
In 1887 herhaalde de wetenschapper het experiment samen met zijn landgenoot Edward Morley. Ze gebruikten een geavanceerde opstelling en zorgden ervoor dat de invloed van nevenfactoren werd geëlimineerd.
De essentie van de ervaring is niet veranderd. De door middel van een lens opgevangen lichtbundel viel in op een semitransparante spiegel die onder een hoek van 45° stond. Hier verdeelde hij: een straal drong door de verdeler, de tweede ging in een loodrechte richting. Elk van de bundels werd vervolgens gereflecteerd door een gewone platte spiegel, keerde terug naar de bundelsplitser en raakte vervolgens gedeeltelijk de interferometer. De onderzoekers hadden vertrouwen in het bestaan van een "etherische wind" en verwachtten een volledig meetbare verschuiving van meer dan een derde van de interferentierand te krijgen.
Het was onmogelijk om de beweging van het zonnestelsel in de ruimte te verwaarlozen, dus het idee van het experiment omvatte de mogelijkheid om de installatie te draaien om de richting van de "etherische wind" te verfijnen.
Om interferentie door trillingen en vervorming van het beeld bij het draaien van het apparaat te voorkomen, werd de hele structuur op een massieve stenen plaat geplaatst met een houten ringvormige vlotter die in zuiver kwik dreef. De fundering onder de installatie was tot op de rots begraven.
Experimentele resultaten
Wetenschappers hebben het hele jaar door zorgvuldige observaties gedaan, waarbij ze de plaat met het apparaat met de klok mee en tegen de klok in draaiden. Het interferentiepatroon werd in 16 richtingen geregistreerd. En ondanks de voor zijn tijd ongekende nauwkeurigheid, gaf Michelsons experiment, uitgevoerd in samenwerking met Morley, een negatief resultaat.
In-fase lichtgolven die de bundelsplitser verlaten, bereikten de finish zonder faseverschuiving. Dit werd elke keer herhaald, op elke positie van de interferometer, en betekende dat de lichtsnelheid in het experiment van Michelson onder geen enkele omstandigheid veranderde.
Het controleren van de resultaten van het experiment werd herhaaldelijk uitgevoerd, ook in de twintigste eeuw, met behulp van laserinterferometers en microgolfresonatoren, met een nauwkeurigheid van een tien miljardste van de lichtsnelheid. Het resultaat van de ervaring blijft onwrikbaar: deze waarde is ongewijzigd.
De betekenis van het experiment
Uit de experimenten van Michelson en Morley volgt dat de "etherische wind", en bijgevolg deze ongrijpbare materie zelf, eenvoudigweg niet bestaat. Als een fysiek object in principe in geen enkel proces wordt gedetecteerd, staat dit gelijk aan de afwezigheid ervan. Natuurkundigen, waaronder de auteurs van het briljant geënsceneerde experiment, realiseerden zich niet meteen de ineenstorting van het concept van de ether, en daarmee van het absolute referentiekader.
Alleen Albert Einstein slaagde er in 1905 in om een consistente en tegelijkertijd revolutionaire nieuwe verklaring voor de resultaten van het experiment te presenteren. Deze resultaten beschouwend zoals ze zijn, zonder te proberen er speculatieve ether naar toe te trekken, kwam Einstein tot twee conclusies:
- Geen enkel optisch experiment kan de rechtlijnige en uniforme beweging van de aarde detecteren (het recht om het als zodanig te beschouwen wordt gegeven door de korte duur van de waarneming).
- Wat betreft elk traagheidsreferentiekader, is de lichtsnelheid in een vacuüm onveranderd.
Deze conclusies (de eerste - in combinatie met het Galilese relativiteitsprincipe) dienden als basis voor Einsteins formulering van zijn beroemde postulaten. Het Michelson-Morley-experiment diende dus als een solide empirische basis voor de speciale relativiteitstheorie.
