Vào nửa sau của thế kỷ 19, các quan điểm vật lý về bản chất của sự truyền ánh sáng, tác động của lực hấp dẫn và một số hiện tượng khác ngày càng rõ ràng hơn bắt đầu gặp khó khăn. Họ được kết nối với khái niệm thanh tao thống trị trong khoa học. Ý tưởng về việc tiến hành một thử nghiệm có thể giải quyết những mâu thuẫn tích lũy, như họ nói, đã thành hiện thực.
Vào những năm 1880, một loạt các thí nghiệm đã được thiết lập, rất phức tạp và phức tạp đối với thời kỳ đó - thí nghiệm của Michelson để nghiên cứu sự phụ thuộc của tốc độ ánh sáng vào hướng chuyển động của người quan sát. Trước khi tìm hiểu chi tiết hơn về mô tả và kết quả của những thí nghiệm nổi tiếng này, cần phải nhớ lại khái niệm aether là gì và cách hiểu vật lý của ánh sáng.
quan điểm của thế kỷ 19 về bản chất của thế giới
Vào đầu thế kỷ, lý thuyết sóng ánh sáng đã thành công, nhận được thực nghiệm rực rỡxác nhận trong các công trình của Jung và Fresnel, và sau đó - và sự biện minh lý thuyết trong công trình của Maxwell. Không thể phủ nhận ánh sáng thể hiện đặc tính sóng và lý thuyết phân tử bị chôn vùi dưới một đống dữ kiện mà nó không thể giải thích (nó sẽ chỉ được hồi sinh vào đầu thế kỷ 20 trên một cơ sở hoàn toàn mới).
Tuy nhiên, vật lý học của thời đại đó không thể hình dung sự lan truyền của một làn sóng khác ngoài những dao động cơ học của một môi trường. Nếu ánh sáng là một sóng và nó có thể truyền trong chân không, thì các nhà khoa học không có lựa chọn nào khác ngoài giả định rằng chân không chứa đầy một chất nào đó, do dao động của nó dẫn sóng ánh sáng.
Aether phát sáng
Chất bí ẩn, không trọng lượng, vô hình, không được đăng ký bởi bất kỳ thiết bị nào, được gọi là ether. Thí nghiệm của Michelson chỉ được thiết kế để xác nhận thực tế về sự tương tác của nó với các vật thể vật lý khác.
Giả thuyết về sự tồn tại của vật chất thanh tao được Descartes và Huygens thể hiện vào thế kỷ 17, nhưng nó trở nên cần thiết như không khí vào thế kỷ 19, đồng thời dẫn đến những nghịch lý không thể hòa tan. Thực tế là để tồn tại nói chung, ête phải có những phẩm chất loại trừ lẫn nhau hoặc nói chung là những phẩm chất không có thực.
mâu thuẫn về khái niệm Ether
Để phù hợp với hình ảnh của thế giới được quan sát, ête phát sáng phải hoàn toàn bất động - nếu không hình ảnh này sẽ liên tục bị bóp méo. Nhưng sự bất động của anh ta là mâu thuẫn không thể hòa giải với các phương trình của Maxwell và nguyên lýThuyết tương đối của Galilê. Vì lợi ích của việc bảo quản, cần phải thừa nhận rằng ether được mang đi bởi các cơ thể chuyển động.
Bên cạnh đó, vật chất thanh tao được cho là hoàn toàn rắn chắc, liên tục và đồng thời không cản trở chuyển động của các vật thể qua nó, không thể nén được và hơn nữa, sở hữu tính đàn hồi ngang, nếu không nó sẽ không dẫn sóng điện từ. Ngoài ra, ether được hình thành như một chất phổ biến, một lần nữa, không phù hợp với ý tưởng về niềm đam mê của anh ấy.
Ý tưởng và sản xuất thử nghiệm đầu tiên của Michelson
Nhà vật lý người Mỹ Albert Michelson bắt đầu quan tâm đến vấn đề aether sau khi đọc bức thư của Maxwell, được công bố sau cái chết của Maxwell vào năm 1879, mô tả một nỗ lực không thành công trong việc phát hiện chuyển động của Trái đất liên quan đến aether trên tạp chí Nature.
Năm 1881, thí nghiệm đầu tiên của Michelson đã diễn ra để xác định tốc độ truyền ánh sáng theo các hướng khác nhau so với ête, một người quan sát chuyển động cùng Trái đất.
Trái đất, đang chuyển động trên quỹ đạo, phải chịu tác động của cái gọi là gió thanh tao - một hiện tượng tương tự như luồng không khí chạy trên một vật thể đang chuyển động. Một chùm ánh sáng đơn sắc hướng song song với “luồng gió” này sẽ chuyển động về phía nó, làm giảm tốc độ một chút và ngược lại (phản xạ từ gương) theo hướng ngược lại. Sự thay đổi tốc độ trong cả hai trường hợp là như nhau, nhưng nó đạt được trong những thời điểm khác nhau: chùm tia "tới" bị giảm tốc độ sẽ mất nhiều thời gian hơn để di chuyển. Vì vậy, tín hiệu đènphát ra song song với "gió ête" nhất thiết sẽ bị trễ so với tín hiệu đi cùng một khoảng cách, cũng với phản xạ từ gương, nhưng theo hướng vuông góc.
Để giải quyết sự chậm trễ này, người ta đã sử dụng một thiết bị do Michelson phát minh ra - một giao thoa kế, hoạt động dựa trên hiện tượng chồng chất của các sóng ánh sáng kết hợp. Nếu một trong các sóng bị trễ, hình giao thoa sẽ thay đổi do có sự lệch pha.
Thí nghiệm đầu tiên củaMichelson với gương và giao thoa kế không cho kết quả rõ ràng do thiết bị không đủ độ nhạy và đánh giá thấp nhiều nhiễu (rung động) và gây ra nhiều lời chỉ trích. Cần phải cải thiện đáng kể độ chính xác.
Trải nghiệm lặp lại
Năm 1887, nhà khoa học lặp lại thí nghiệm cùng với người đồng hương Edward Morley. Họ đã sử dụng một thiết lập nâng cao và đặc biệt cẩn thận để loại bỏ ảnh hưởng của các yếu tố phụ.
Bản chất của trải nghiệm không thay đổi. Chùm sáng được thu thập bởi một thấu kính là tới trên một gương bán trong suốt đặt ở góc 45 °. Ở đây ông chia ra: một chùm xuyên qua dải phân cách, chùm thứ hai đi theo phương vuông góc. Sau đó, mỗi chùm tia bị phản xạ bởi một gương phẳng thông thường, quay trở lại bộ tách chùm, và sau đó đập một phần vào giao thoa kế. Các nhà thí nghiệm tin tưởng vào sự tồn tại của một "cơn gió trong lành" và dự kiến sẽ nhận được sự dịch chuyển hoàn toàn có thể đo lường được của hơn một phần ba rìa giao thoa.
Không thể bỏ qua sự chuyển động của hệ mặt trời trong không gian, vì vậy ý tưởng của thí nghiệm bao gồm khả năng xoay cài đặt để điều chỉnh hướng của "gió thanh tao".
Để tránh nhiễu rung và biến dạng hình ảnh khi xoay thiết bị, toàn bộ cấu trúc được đặt trên một phiến đá khổng lồ với một chiếc phao hình xuyến bằng gỗ nổi trong thủy ngân nguyên chất. Nền dưới công trình lắp đặt đã bị chôn vùi vào đá.
Kết quả thực nghiệm
Các nhà khoa học đã tiến hành quan sát cẩn thận trong suốt năm, xoay chiếc đĩa bằng thiết bị theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ. Hình ảnh giao thoa được ghi lại theo 16 hướng. Và, bất chấp độ chính xác chưa từng có trong thời đại của ông, thí nghiệm của Michelson, được thực hiện với sự cộng tác của Morley, đã cho kết quả âm tính.
Sóng ánh sáng cùng pha rời bộ tách chùm đến vạch đích mà không bị lệch pha. Điều này được lặp lại mọi lúc, tại bất kỳ vị trí nào của giao thoa kế, và có nghĩa là tốc độ ánh sáng trong thí nghiệm của Michelson không thay đổi trong bất kỳ trường hợp nào.
Việc kiểm tra kết quả thí nghiệm được thực hiện lặp đi lặp lại, kể cả trong thế kỷ XX, sử dụng giao thoa kế laze và máy cộng hưởng vi sóng, đạt độ chính xác bằng 1/10 tốc độ ánh sáng. Kết quả của trải nghiệm vẫn không thể lay chuyển: giá trị này không thay đổi.
Ý nghĩa của thử nghiệm
Từ các thí nghiệm của Michelson và Morley, người ta cho rằng "gió thanh tao", và do đó, bản thân vật chất khó nắm bắt này đơn giản là không tồn tại. Nếu bất kỳ đối tượng vật lý nào về cơ bản không được phát hiện trong bất kỳ quy trình nào, thì điều này tương đương với sự vắng mặt của nó. Các nhà vật lý, bao gồm cả tác giả của thí nghiệm được dàn dựng tuyệt vời, đã không nhận ra ngay sự sụp đổ của khái niệm ête, và cùng với nó là hệ quy chiếu tuyệt đối.
Chỉ có Albert Einstein vào năm 1905 mới có thể trình bày một cách giải thích nhất quán và đồng thời mang tính cách mạng về kết quả của thí nghiệm. Xem xét các kết quả này như hiện tại, không cố gắng lôi kéo các ether đầu cơ cho chúng, Einstein đã đưa ra hai kết luận:
- Không thí nghiệm quang học nào có thể phát hiện chuyển động thẳng và đều của Trái đất (quyền xem xét nó như vậy được cấp bởi thời gian ngắn của hành động quan sát).
- Đối với bất kỳ hệ quy chiếu quán tính nào, tốc độ ánh sáng trong chân không là không đổi.
Những kết luận này (kết luận đầu tiên - kết hợp với nguyên lý tương đối của Galilean) là cơ sở để Einstein xây dựng các định đề nổi tiếng của mình. Vì vậy, thí nghiệm Michelson-Morley đóng vai trò là cơ sở thực nghiệm vững chắc cho thuyết tương đối hẹp.
