Pada paruh kedua abad ke-19, pandangan fisik tentang sifat perambatan cahaya, aksi gravitasi dan beberapa fenomena lainnya semakin jelas mulai menemui kesulitan. Mereka terhubung dengan konsep halus yang mendominasi dalam sains. Gagasan untuk melakukan eksperimen yang akan menyelesaikan akumulasi kontradiksi, seperti yang mereka katakan, ada di udara.
Pada tahun 1880-an, serangkaian eksperimen dibuat, sangat kompleks dan halus untuk masa itu - eksperimen Michelson untuk mempelajari ketergantungan kecepatan cahaya pada arah gerak pengamat. Sebelum membahas lebih detail tentang deskripsi dan hasil eksperimen terkenal ini, perlu diingat apa konsep eter itu dan bagaimana fisika cahaya dipahami.
Pemandangan abad ke-19 tentang alam dunia
Pada awal abad, teori gelombang cahaya menang, menerima eksperimen briliankonfirmasi dalam karya Jung dan Fresnel, dan kemudian - dan pembenaran teoretis dalam karya Maxwell. Cahaya benar-benar tidak dapat disangkal menunjukkan sifat gelombang, dan teori sel terkubur di bawah tumpukan fakta yang tidak dapat dijelaskan (itu hanya akan dihidupkan kembali pada awal abad ke-20 dengan dasar yang sama sekali baru).
Namun, fisika pada masa itu tidak dapat membayangkan perambatan gelombang selain melalui getaran mekanis suatu medium. Jika cahaya adalah gelombang, dan mampu merambat dalam ruang hampa, maka para ilmuwan tidak punya pilihan selain berasumsi bahwa ruang hampa diisi dengan zat tertentu, karena getarannya menghantarkan gelombang cahaya.
Luminous Aether
Substansi misterius, tidak berbobot, tidak terlihat, tidak terdaftar oleh perangkat apa pun, disebut eter. Eksperimen Michelson hanya dirancang untuk mengkonfirmasi fakta interaksinya dengan objek fisik lainnya.
Hipotesis tentang keberadaan materi ethereal diungkapkan oleh Descartes dan Huygens pada abad ke-17, tetapi ia menjadi penting sebagai udara pada abad ke-19, dan pada saat yang sama menyebabkan paradoks yang tak terpecahkan. Faktanya adalah bahwa untuk eksis secara umum, eter harus memiliki kualitas yang saling eksklusif atau, secara umum, secara fisik tidak nyata.
Kontradiksi konsep eter
Agar sesuai dengan gambar dunia yang diamati, eter bercahaya harus benar-benar tidak bergerak - jika tidak, gambar ini akan terus-menerus terdistorsi. Tetapi imobilitasnya berada dalam konflik yang tidak dapat didamaikan dengan persamaan dan prinsip Maxwellrelativitas Galilea. Demi pelestariannya, perlu diakui bahwa eter terbawa oleh tubuh yang bergerak.
Selain itu, materi ethereal dianggap benar-benar padat, kontinu dan pada saat yang sama sama sekali tidak menghalangi pergerakan benda yang melewatinya, tidak dapat dimampatkan dan, terlebih lagi, memiliki elastisitas melintang, jika tidak, ia tidak akan menghantarkan gelombang elektromagnetik. Selain itu, eter dikandung sebagai zat yang meresapi segalanya, yang sekali lagi tidak cocok dengan gagasan hasratnya.
Gagasan dan produksi pertama eksperimen Michelson
Fisikawan Amerika Albert Michelson menjadi tertarik pada masalah eter setelah membaca surat Maxwell, yang diterbitkan setelah kematian Maxwell pada tahun 1879, menjelaskan upaya yang gagal untuk mendeteksi gerakan Bumi sehubungan dengan eter di jurnal Nature.
Pada tahun 1881, eksperimen pertama Michelson dilakukan untuk menentukan kecepatan rambat cahaya dalam arah yang berbeda relatif terhadap eter, seorang pengamat bergerak dengan Bumi.
Bumi, yang bergerak di orbit, harus mengalami apa yang disebut angin ethereal - sebuah fenomena yang mirip dengan aliran udara yang mengalir pada benda yang bergerak. Sinar cahaya monokromatik yang diarahkan sejajar dengan "angin" ini akan bergerak ke arahnya, kehilangan sedikit kecepatan, dan sebaliknya (memantul dari cermin) ke arah yang berlawanan. Perubahan kecepatan dalam kedua kasus adalah sama, tetapi dicapai dalam waktu yang berbeda: sinar "mendekat" yang diperlambat akan membutuhkan waktu lebih lama untuk bergerak. Jadi sinyal cahayadipancarkan sejajar dengan "angin eter" tentu akan tertunda relatif terhadap sinyal yang menempuh jarak yang sama, juga dengan pantulan dari cermin, tetapi dalam arah tegak lurus.
Untuk mencatat penundaan ini, perangkat yang ditemukan oleh Michelson sendiri digunakan - interferometer, yang operasinya didasarkan pada fenomena superposisi gelombang cahaya koheren. Jika salah satu gelombang ditunda, pola interferensi akan bergeser karena perbedaan fasa yang dihasilkan.
Eksperimen pertama Michelson dengan cermin dan interferometer tidak memberikan hasil yang jelas karena sensitivitas perangkat yang tidak memadai dan meremehkan banyak gangguan (getaran) dan menimbulkan kritik. Diperlukan peningkatan akurasi yang signifikan.
Pengalaman berulang
Pada tahun 1887, ilmuwan mengulangi eksperimen tersebut bersama rekan senegaranya Edward Morley. Mereka menggunakan pengaturan tingkat lanjut dan sangat berhati-hati untuk menghilangkan pengaruh faktor samping.
Inti dari pengalaman tidak berubah. Berkas cahaya yang dikumpulkan melalui lensa jatuh pada cermin semitransparan yang diatur pada sudut 45°. Di sini ia membagi: satu sinar menembus pembagi, yang kedua pergi ke arah tegak lurus. Masing-masing balok kemudian dipantulkan oleh cermin datar biasa, kembali ke pembagi berkas, dan kemudian sebagian mengenai interferometer. Eksperimen yakin akan keberadaan "angin halus" dan diharapkan untuk mendapatkan pergeseran terukur sepenuhnya lebih dari sepertiga dari pinggiran interferensi.
Tidak mungkin mengabaikan pergerakan tata surya di luar angkasa, jadi ide eksperimennya mencakup kemampuan untuk memutar instalasi untuk menyempurnakan arah "angin halus".
Untuk menghindari gangguan getaran dan distorsi gambar saat memutar perangkat, seluruh struktur ditempatkan di atas lempengan batu besar dengan pelampung toroidal kayu yang mengambang di merkuri murni. Pondasi di bawah instalasi dikubur ke dalam batu.
Hasil eksperimen
Para ilmuwan melakukan pengamatan yang cermat sepanjang tahun, memutar pelat dengan perangkat searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam. Pola interferensi direkam dalam 16 arah. Dan, terlepas dari akurasi yang belum pernah ada sebelumnya di zamannya, eksperimen Michelson, yang dilakukan bersama Morley, memberikan hasil negatif.
Gelombang cahaya dalam fase yang meninggalkan beam splitter mencapai garis finis tanpa pergeseran fase. Ini diulang setiap saat, pada posisi interferometer mana pun, dan berarti bahwa kecepatan cahaya dalam eksperimen Michelson tidak berubah dalam keadaan apa pun.
Pemeriksaan hasil eksperimen dilakukan berulang kali, termasuk pada abad XX, menggunakan interferometer laser dan resonator gelombang mikro, yang mencapai akurasi sepersepuluh miliar kecepatan cahaya. Hasil dari pengalaman tetap tak tergoyahkan: nilai ini tidak berubah.
Arti percobaan
Dari percobaan Michelson dan Morley dapat disimpulkan bahwa "angin halus", dan, akibatnya, materi yang sulit dipahami itu sendiri tidak ada. Jika ada objek fisik yang pada dasarnya tidak terdeteksi dalam proses apa pun, ini sama saja dengan ketidakhadirannya. Fisikawan, termasuk penulis eksperimen yang dipentaskan dengan cemerlang, tidak segera menyadari runtuhnya konsep eter, dan bersamanya dengan kerangka acuan absolut.
Hanya Albert Einstein pada tahun 1905 yang berhasil menyajikan penjelasan baru yang konsisten dan sekaligus revolusioner dari hasil eksperimennya. Mempertimbangkan hasil ini sebagaimana adanya, tanpa mencoba menarik eter spekulatif kepada mereka, Einstein sampai pada dua kesimpulan:
- Tidak ada eksperimen optik yang dapat mendeteksi gerakan lurus dan seragam Bumi (hak untuk menganggapnya demikian diberikan oleh durasi tindakan pengamatan yang singkat).
- Mengenai kerangka acuan inersia apa pun, kecepatan cahaya dalam ruang hampa tidak berubah.
Kesimpulan ini (yang pertama - dikombinasikan dengan prinsip relativitas Galilea) menjadi dasar perumusan Einstein tentang postulatnya yang terkenal. Jadi eksperimen Michelson-Morley menjadi dasar empiris yang kuat untuk teori relativitas khusus.
