O tym jak uśmiercono eter

„Prędkość światła jest taka sama we wszystkich poruszających się układach. Ta niewinnie brzmiąca zasada jest jednym z największych osiągnięć ludzkości.” – Albert Einstein

„Nie wiem, czym ten eter może być” – Newton

 

W mitologii greckiej eter (αἰθήρ) jest personifikacją nieba ponad chmurami. Jest górną warstwą powietrza, którym oddychają bogowie. Tales i jego uczniowie twierdzili, że „coś” nie może wyłonić się z „niczego” lub w nim zniknąć. Empedokles wyobrażał sobie, że materia przeplata się z tajemniczym ośrodkiem, który jest lżejszy niż wszystko inne i wypełnia wolne miejsca w tkaninie świata. Stoicy uważali, że wszystkie rzeczy tworzą jedno rozciągnięte kontinuum i związane są pneumą, która przenika wszystko i jest sprężystą mieszanką ognia i powietrza. Pneuma wiązała składniki świata i nie pozwalała im się rozproszyć po bezkształtnej pustce.  Arystoteles nauczał, że świat fizyczny składa się z czterech elementów: powietrza, ziemi, ognia i wody, spojonych poprzez piąty element zwany eterem. Kartezjusz uważał, że jest sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem, aby twierdzić, że jest przestrzeń, gdzie nie ma absolutnie niczego. Przecież żadne ciało materialne nie mogłyby oddziaływać na siebie poprzez kompletnie pustą przestrzeń! Sformułował hipotezę, że eter, bardzo gęste medium małych cząstek, przenika całą przestrzeń. Wierzył, że planety są pchane wzdłuż ich orbit przez ruchy kosmologicznych wirów eteru.

W 1875 szkocki fizyk Peter Guthrie Tait wraz z Balfourem Stewartem napisali książkę „Niewidzialny wszechświat lub spekulacje fizyczne na temat stanu przyszłego”, gdzie stwierdzili, że wszelka materia jest zbudowana z cząstek eteru, które składają się jeszcze z drobniejszych cząstek eteru i tak w nieskończoność. Wyobrażali sobie, że drabina eterów osiąga nieskończona energię, stając się ostatecznie czymś wiecznym i równym Bogu. Stworzenie świata było kaskadą energii w dół setki eterów, dlatego zlokalizowała się ona w materii na najniższych poziomach, tych, które widzimy wokół nas i z których sami się składamy.

Ale wracając do spraw poważnych, w drugiej połowie XVI wieku Newton wyjaśnił ruchy planet, kształt Ziemi, pływy, trajektorie pocisków i zmiany ciążenia. Osią jego teorii była przestrzeń absolutna, której nie dało się jednak zaobserwować ani poczuć, poza tym nie dało się za jej pomocą wyjaśnić propagacji światła ani oddziaływań grawitacyjnych. Przestrzeń nie mogła być pusta, zatem Newton niechętnie przyjął koncepcję eteru, ponieważ ten musiałby powodować spowolnienie ciał niebieskich, aż do zupełnego ich ustania. Postanowił poszukać innego rozwiązania. Uznał, że światło należy traktować jak strumień maleńkich cząstek, które odbijają się od gładkich powierzchni i wywołują fale uderzając o eter.

Próbował przekonywać, że istnieje eteryczny ruch powietrza (aere), ponieważ zawieszone w próżni wahadło ustawało w ruchu tak samo, jak w powietrzu. Zatem musiał istnieć jakiś nowy płyn podobny do powietrza, który spowalnia wahadło nawet w próżni. Przy okazji publikacji „Matematycznych zasad filozofii przyrody” (1687) wykluczył całkowicie ośrodek przenikający obiekty obdarzone masą, ponieważ wywoływałyby one nieobliczalne zaburzenia w ruchu ciał niebieskich. W 1713 przy okazji drugiego wydania książki, stwierdził, że faktycznie istnieje „subtelny duch przenikający wszystko i skryty we wszystkich ciałach” i że dzięki niemu zrozumiał grawitację, ciepło, światło i dźwięk.

W drugim wydaniu „Optyki” w 1717 ogłosił nowe wyniki eksperymentów świadczące o istnieniu eteru, opierające się na porównaniu wskazań termometrów umieszczonych wewnątrz opróżnionego naczynia i na zewnątrz jego. Newton zasugerował, że eter musi być znacznie bardziej rzadki wewnątrz gęstych ciał (np. Słońce) niż w oddzielającej je przestrzeni międzyplanetarnej. Grawitacja jest skutkiem tego, że ciała próbują przemieścić się z obszarów o wysokiej gęstości eteru do miejsc, gdzie jest on rzadszy. Eter miałby się składać z cząstek, które są niezmiernie małe, a jego sprężystość wynikała z faktu, że cząstki te odpychają się nawzajem. Wynikające z tego siły są silniejsze w małych ciałach niż w dużych, w proporcji do ich masy.

W międzyczasie holenderski astronom Christiaan Huygens stwierdził, że światło nie jest strumieniem cząstek jak do tej pory sądzono, ale falą. W swoim dziele „Traktat o świetle” wyjaśnił odbicie, załamanie i dyfrakcję, zjawiska które również mają miejsce na falach na powierzchni wody.  Ale skoro światło jest falą, to potrzebuje czegoś, co pozwoliłoby mu falować (fale na wodzie potrzebują wody, a fale dźwiękowe potrzebują powietrza), zatem światło mogło falować dzięki eterowi światłonośnemu, który wypełniał próżnię.

Debata pomiędzy Newtonem i Huygensem trwała do momentu, gdy tematem w latach 60tych XIX wieku zajął się James Clerk Maxwell, który zainspirowany pracami Ampera, Oersteda i Faradaya, próbował wpisać w światło (przechodzące przez niewidzialny eter) fale elektryczne i magnetyczne.

Udowodnił, że elektryczność i magnetyzm to dwa rodzaje tego samego zjawiska. Odkrył, że fala elektryczna i magnetyczna się wspierają wzajemnie i jedna wytwarza drugą. Udowodnił, że elektryczność i magnetyzm to dwa rodzaje tego samego zjawiska.

Electromagneticwave3DFala elektromagnetyczna. źródło: wiki

Zastanawiał się, co się stanie, gdy obydwa pola: elektryczne i magnetyczne będą bezustannie przekształcać się w siebie nawzajem. Stanie się to, że wytworzą falę, a prędkość owej fali będzie równa prędkości światła. Światło było zatem rodzajem fali elektromagnetycznej.

Ponadto zdał sobie sprawę, że istnieją inne rodzaje fale elektromagnetycznych, a potwierdził do doświadczalnie Hertz (Hertz odkrył, że fale radiowe poruszają się z prędkością światła, tak jak to wyliczył Maxwell). Maxwell zapisał swoje rozważania na temat światła w formie ośmiu równań (Hertz i Heaviside zredukowali je do czterech).

Pierwsze równanie opisuje jak zmienne pole magnetyczne wytwarza elektryczność, drugie jak elektryczność wytwarza magnetyzm, kolejne pomaga powiązać wytwarzane pole elektryczne z obecnym ładunkiem elektrycznym, a ostatnie informuje, że nie monopole (izolowane pola magnetyczne) nie mogą istnieć.

„Ta prędkość tak bardzo zbliża się do prędkości światła, że wydaje się, iż mamy mocny powód do przekonania, że samo światło (w tym promieniujące ciepło i inne promieniowanie, jeśli w ogóle) jest zaburzeniem elektromagnetycznym w formie fal rozchodzących się w polu magnetycznym zgodnie z prawami elektromagnetycznymi.” – James Clerk Maxwell 1864

Skoro światło porusza się ze stałą prędkością, ale należało określić względem czego prędkość ta ma być mierzona. Fale przecież rozchodzą się w eterze! Postanowiono zatem, że prędkość światła będzie mierzona względem eteru. Ale skoro fale rozchodzą się szybciej w gęstszym środowisku, a światło podróżuje z wielką prędkością, znaczyło to, że eter musi być sztywny, rzadki, ale równocześnie lżejszy od powietrza i niewidzialny. Magia!

„Niezależnie od trudności związanych ze stworzeniem spójnej koncepcji struktury eteru nie ma wątpliwości, że międzyplanetarne i międzygwiazdowe przestrzenie są wypełnione materialną substancją lub materialnym ciałem” (1878)

Eter nie wywiera na planety i na nas żadnego wpływu, nie spowalnia Ziemi w ruchu dookoła Słońca. Transmituje jedynie światło. Ziemia porusza się po orbicie wokół Słońca, kierunek jej prędkości względem eteru się zmienia. Przez pół roku Ziemia porusza się w jedną stronę (wraz z eterem), pół roku później na drugim końcu orbity w przeciwnym (pod prąd eteru). Zatem prędkość światła względem Ziemi musi być różna w różnych porach roku.

Maxwell sugerował, że pomiar prędkości światła w różnych kierunkach pomógłby w badaniach ruchu eteru. Należało tylko porównać prędkość światła pomiędzy dwoma stacjami pomiarowymi na powierzchni ziemi z porównaniem obserwacji ruchu w przeciwnym kierunku. Wystarczyło rozszczepić wiązkę światła na dwie i wysłać każdą w kierunku lustra. Jedna wiązka miała się poruszać wzdłuż tego samego kierunku, co Ziemia i odbijać się od swoich luster. Druga wiązka miała przebiegać prostopadle do tego kierunku. Następnie obie wiązki miały być ponownie połączone. Po spotkaniu wiązek, mały powstać prążki interferencyjne, a odległość pomiędzy prążkami powinna być proporcjonalna do prędkości Ziemi względem eteru.

MichelsonMorleyAnimationDE
Oczekiwane przesunięcie fazowe pomiędzy światłem przemieszczającym się wzdłuż i poprzek. Źródło: wiki

W 1887 roku Albert Michelson i Edward Morley dokonali tego eksperymentu. Porównali prędkość światła biegnącego w kierunku ruchu Ziemi z prędkością światła biegnącego w kierunku prostopadłym do tego kierunku. Ale o ty za chwilę. Pomysł Maxwella nie był skomplikowany, ale wymagał wielkiej staranności (prędkość światła to 300 tyś km/s!).

W 1881 roku w Berlinie powstał interferometr. Jednak ruch uliczny Berlina uniemożliwiał dokładne pomiary, dlatego urządzenie przewieziono do Poczdamu. Gdyby istniał eter to promienie światła wędrowałyby z różną prędkością, gdy podróżują w kierunku zgodnym z kierunkiem ruchu orbitalnego Ziemi i z inną, gdy poruszają się w kierunku prostopadłym do niego. Różnice prędkości powinny spowodować, że fale świetlne przestaną do siebie pasować, powstanie interferencja. Eksperyment powtórzono wielokrotnie, przy różnych porach roku i orientacjach aparatu. Nie powstał wzór interferencyjny. Eter zatem nie mógł być stacjonarny tylko wleczony za ziemią wokół Słońca, tak że nie było względnego ruchu między nim a Ziemią. Eter również mógł po prostu nie istnieć.

Po tym eksperymencie Michelson objął posadę w Case Institute of Technology w Cleveland i rozpoczął współpracę z profesorem chemii Edwardem Morleyem. Powtórzyli eksperyment z interferometrem zamocowanym na bloku marmuru unoszącym się na powierzchni płytkiej sadzawki z rtęcią, aby uniknąć odkształceń lub drgań. Promień światła był rozszczepiony za pomocą częściowo posrebrzanego lustra na dwie wiązki. Każda zostaje odbita pod kątem 45 stopni i dociera do kolejnych luster znajdujące się w rogach marmurowego bloku. Lustra te odbijają promienie z powrotem w kierunku zwierciadeł leżących po przeciwnej stronie. Promienie odbijały się od luster, 10 razy by w końcu wiązki mogły przejść przez częściowo posrebrzane lustro i odbić się od niego. Dwa promienie były zbierane razem we wnętrzu teleskopu. Światło pokonywało większy dystans i w przypadku istnienia eteru zwielokrotniało odchylenia wynikające z różnych prędkości wiązek.

mme

Schemat działania interferometru. Źródło: http://visav.phys.uvic.ca/

Badania zakończyli w 1887 wnioskiem, że prędkość światła w różnych kierunkach jest identyczna bez względu na prędkość źródła światła względem przestrzeni. Eter nie istniał.

Na początku XX wieku Albert Einstein przeanalizował równania Maxwella i sformułował szczególną teorię względności. Potwierdził nieistnienie eteru, porzucił również ideę czasu absolutnego. Wywnioskował również, że fale grawitacyjne są zmarszczkami w czasoprzestrzeni. Podróżują jako fale (jak światło), ale nie są one promieniowaniem. Są rzeczywistymi zaburzeniami w strukturze czasoprzestrzeni. Dokładnie sto lat później detektory fal grawitacyjnych, interferometry o wiele większe niż ten Michelsona (ramie ma 4km, a światło jest odbijane nie dziesięć razy ale setki) wykryły takie fale. Ale to już temat na zupełnie inny tekst.

 

 

Michelson1881c ligo-580x389interferometr Michelsona i Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) w Luizjanie

 

Bibliografia (i ksiażki warte przeczytania):
„Książka o niczym” – John D. Barrow
„Silniki grawitacji” – Caleb Scharf
„Kotki Schrodingera” – John Gribbin
„Jak zbudować wehukuł czasu” – Brian Clegg
„About time” – Paul Davies

(Visited 49 times, 1 visits today)
0

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *