ในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 19 มุมมองทางกายภาพเกี่ยวกับธรรมชาติของการแพร่กระจายของแสง การกระทำของแรงโน้มถ่วง และปรากฏการณ์อื่นๆ เริ่มประสบปัญหาอย่างชัดเจนมากขึ้นเรื่อยๆ พวกเขาเชื่อมโยงกับแนวคิดที่ไม่มีตัวตนซึ่งครอบงำทางวิทยาศาสตร์ แนวคิดในการทำการทดลองที่จะแก้ไขความขัดแย้งที่สะสมไว้ดังที่พวกเขาพูดนั้นอยู่ในอากาศ
ในยุค 1880 มีการตั้งค่าชุดการทดลองที่ซับซ้อนและละเอียดอ่อนมากสำหรับช่วงเวลานั้น - การทดลองของ Michelson เพื่อศึกษาการพึ่งพาความเร็วของแสงกับทิศทางการเคลื่อนที่ของผู้สังเกต ก่อนที่จะกล่าวถึงรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับคำอธิบายและผลการทดลองที่มีชื่อเสียงเหล่านี้ จำเป็นต้องระลึกว่าแนวคิดของอีเธอร์คืออะไรและเข้าใจฟิสิกส์ของแสงได้อย่างไร
มุมมองศตวรรษที่ 19 เกี่ยวกับธรรมชาติของโลก
ต้นศตวรรษ ทฤษฎีคลื่นแสงได้รับชัยชนะ และได้รับการทดลองอันยอดเยี่ยมการยืนยันในผลงานของ Jung และ Fresnel และต่อมา - และเหตุผลทางทฤษฎีในการทำงานของ Maxwell แสงแสดงให้เห็นคุณสมบัติของคลื่นอย่างปฏิเสธไม่ได้ และทฤษฎีเกี่ยวกับร่างกายก็ถูกฝังอยู่ใต้กองข้อเท็จจริงที่ไม่สามารถอธิบายได้ (จะฟื้นคืนชีพได้เมื่อต้นศตวรรษที่ 20 บนพื้นฐานใหม่ทั้งหมดเท่านั้น)
อย่างไรก็ตาม ฟิสิกส์ในยุคนั้นไม่สามารถจินตนาการถึงการแพร่กระจายของคลื่นได้นอกจากการสั่นสะเทือนทางกลของตัวกลาง หากแสงเป็นคลื่น และสามารถแพร่กระจายในสุญญากาศได้ นักวิทยาศาสตร์ก็ไม่มีทางเลือกอื่นนอกจากต้องสันนิษฐานว่าสุญญากาศนั้นเต็มไปด้วยสารบางชนิด เนื่องจากการสั่นของแสงที่นำคลื่นแสง
อีเธอร์เรืองแสง
สสารลึกลับ ไร้น้ำหนัก ล่องหน ไม่ได้ลงทะเบียนโดยอุปกรณ์ใดๆ ถูกเรียกว่าอีเธอร์ การทดลองของ Michelson ได้รับการออกแบบมาเพื่อยืนยันข้อเท็จจริงของการมีปฏิสัมพันธ์กับวัตถุทางกายภาพอื่นๆ
สมมติฐานเกี่ยวกับการมีอยู่ของวัตถุที่ไม่มีตัวตนถูกแสดงโดย Descartes และ Huygens ในศตวรรษที่ 17 แต่มันกลายเป็นสิ่งจำเป็นในฐานะอากาศในศตวรรษที่ 19 และในเวลาเดียวกันก็นำไปสู่ความขัดแย้งที่ไม่ละลายน้ำ ความจริงก็คือเพื่อให้มีอยู่โดยทั่วไป อีเธอร์จะต้องมีคุณสมบัติที่ไม่เกิดร่วมกันหรือโดยทั่วไปแล้วมีคุณสมบัติที่ไม่จริงทางกายภาพ
แนวคิดที่ขัดแย้งกันของอีเธอร์
เพื่อให้เข้ากับภาพของโลกที่สังเกตได้ อีเธอร์เรืองแสงจะต้องไม่เคลื่อนไหวอย่างแน่นอน ไม่เช่นนั้น ภาพนี้จะถูกบิดเบือนอย่างต่อเนื่อง แต่ความไม่เคลื่อนไหวของเขาขัดแย้งกับสมการและหลักการของแมกซ์เวลล์อย่างไม่ลดละทฤษฎีสัมพัทธภาพกาลิเลียน เพื่อประโยชน์ในการเก็บรักษา จำเป็นต้องยอมรับว่าอีเธอร์ถูกเคลื่อนย้ายโดยวัตถุที่เคลื่อนที่
นอกจากนี้ คิดว่าวัตถุที่ไม่มีตัวตนมีความแข็ง ต่อเนื่อง และในขณะเดียวกันก็ไม่ขัดขวางการเคลื่อนไหวของร่างกายที่ผ่านไปมา บีบอัดไม่ได้ และยิ่งไปกว่านั้น มีความยืดหยุ่นตามขวาง มิฉะนั้น มันจะไม่นำคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากนี้ อีเธอร์ยังถูกมองว่าเป็นสารที่แพร่หลาย ซึ่งไม่สอดคล้องกับแนวคิดเรื่องความหลงใหลของเขาอีกครั้ง
แนวคิดและการผลิตครั้งแรกของการทดลองของ Michelson
นักฟิสิกส์ชาวอเมริกัน อัลเบิร์ต มิเชลสันเริ่มสนใจปัญหาอีเทอร์หลังจากอ่านจดหมายของแมกซ์เวลล์ ซึ่งตีพิมพ์หลังจากแมกซ์เวลล์เสียชีวิตในปี พ.ศ. 2422 โดยอธิบายถึงความพยายามที่ไม่ประสบความสำเร็จในการตรวจจับการเคลื่อนที่ของโลกในส่วนที่เกี่ยวกับอีเธอร์ในวารสาร Nature
ในปี 1881 การทดลองครั้งแรกของ Michelson เกิดขึ้นเพื่อกำหนดความเร็วของการแพร่กระจายของแสงไปในทิศทางต่างๆ ที่สัมพันธ์กับอีเธอร์ ผู้สังเกตการณ์เคลื่อนที่ไปพร้อมกับโลก
โลกที่เคลื่อนที่ในวงโคจรต้องอยู่ภายใต้อิทธิพลของลมที่เรียกว่าอีเธอเรียล ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่คล้ายกับการไหลของอากาศที่ไหลผ่านวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ ลำแสงสีเดียวที่ขนานไปกับ "ลม" นี้จะเคลื่อนเข้าหามัน โดยสูญเสียความเร็วไปเล็กน้อย และในทางกลับกัน (สะท้อนจากกระจก) ไปในทิศทางตรงกันข้าม การเปลี่ยนแปลงความเร็วในทั้งสองกรณีจะเหมือนกัน แต่ทำได้ในเวลาที่ต่างกัน: ลำแสง "ที่กำลังจะมาถึง" ที่ช้าลงจะใช้เวลาเดินทางนานกว่า ดังนั้นสัญญาณไฟที่ปล่อยออกมาขนานกับ "ลมอีเทอร์" จำเป็นต้องล่าช้าเมื่อเทียบกับสัญญาณที่เดินทางในระยะทางเดียวกัน รวมทั้งการสะท้อนจากกระจกด้วย แต่ในทิศทางตั้งฉาก
ในการลงทะเบียนความล่าช้านี้ มีการใช้อุปกรณ์ที่มิเชลสันคิดค้นขึ้นเอง - อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ ซึ่งการทำงานจะขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์ของการซ้อนของคลื่นแสงที่เชื่อมโยงกัน หากคลื่นลูกหนึ่งล่าช้า รูปแบบการรบกวนจะเปลี่ยนไปเนื่องจากความแตกต่างของเฟสที่เกิดขึ้น
การทดลองกระจกและอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ครั้งแรกของมิเชลสันไม่ได้ให้ผลลัพธ์ที่ชัดเจนเนื่องจากความไวของอุปกรณ์ไม่เพียงพอและการประเมินการรบกวนจำนวนมาก (การสั่น) ต่ำเกินไป และทำให้เกิดการวิพากษ์วิจารณ์ จำเป็นต้องปรับปรุงความแม่นยำอย่างมาก
ประสบการณ์ซ้ำๆ
ในปี พ.ศ. 2430 นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการทดลองซ้ำร่วมกับเอ็ดเวิร์ด มอร์ลีย์ ซึ่งเป็นเพื่อนร่วมชาติของเขา พวกเขาใช้การตั้งค่าขั้นสูงและใช้ความระมัดระวังเป็นพิเศษเพื่อขจัดอิทธิพลของปัจจัยข้างเคียง
สาระสำคัญของประสบการณ์ไม่เปลี่ยนแปลง ลำแสงที่เก็บรวบรวมโดยใช้เลนส์ตกกระทบบนกระจกกึ่งโปร่งแสงที่ทำมุม 45° เขาแบ่งที่นี่: ลำแสงหนึ่งทะลุผ่านตัวแบ่งส่วนที่สองไปในทิศทางตั้งฉาก ลำแสงแต่ละอันถูกสะท้อนด้วยกระจกแบนธรรมดา กลับไปที่ตัวแยกลำแสง แล้วกระแทกที่อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์บางส่วน ผู้ทดลองมีความมั่นใจใน "ลมที่ไม่มีตัวตน" และคาดว่าจะได้รับการเปลี่ยนแปลงที่วัดได้อย่างสมบูรณ์มากกว่าหนึ่งในสามของขอบรบกวน
เป็นไปไม่ได้ที่จะละเลยการเคลื่อนที่ของระบบสุริยะในอวกาศ ดังนั้นแนวคิดของการทดลองจึงรวมถึงความสามารถในการหมุนการติดตั้งเพื่อปรับทิศทางของ "ลมที่ไม่มีตัวตน" อย่างละเอียด
เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนจากการสั่นสะเทือนและการบิดเบือนของภาพขณะหมุนอุปกรณ์ โครงสร้างทั้งหมดจึงถูกวางบนแผ่นหินขนาดใหญ่ที่มีทุ่นลอยไม้ที่ลอยอยู่ในปรอทบริสุทธิ์ รากฐานที่อยู่ใต้การติดตั้งถูกฝังไว้ที่หิน
ผลการทดลอง
นักวิทยาศาสตร์ทำการสังเกตอย่างระมัดระวังตลอดทั้งปี โดยหมุนจานโดยใช้อุปกรณ์ตามเข็มนาฬิกาและทวนเข็มนาฬิกา รูปแบบการรบกวนถูกบันทึกใน 16 ทิศทาง และถึงแม้จะมีความแม่นยำอย่างที่ไม่เคยมีมาก่อนในยุคของเขา การทดลองของ Michelson ซึ่งร่วมมือกับ Morley ก็ให้ผลลัพธ์ในทางลบ
คลื่นแสงในเฟสที่ปล่อยตัวแยกลำแสงไปถึงเส้นชัยโดยไม่มีการเปลี่ยนเฟส สิ่งนี้ถูกทำซ้ำทุกครั้ง ที่ตำแหน่งใดๆ ของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ และหมายความว่าความเร็วของแสงในการทดลองของมิเชลสันไม่เปลี่ยนแปลงไม่ว่าในกรณีใดๆ
ตรวจสอบผลการทดลองซ้ำแล้วซ้ำเล่า รวมทั้งในศตวรรษที่ XX โดยใช้เลเซอร์อินเตอร์เฟอโรมิเตอร์และไมโครเวฟเรโซเนเตอร์ซึ่งมีความแม่นยำถึงหนึ่งหมื่นล้านของความเร็วแสง ผลลัพธ์ของประสบการณ์ยังคงไม่สั่นคลอน: ค่านี้ไม่เปลี่ยนแปลง
ความหมายของการทดลอง
จากการทดลองของ Michelson และ Morley พบว่า "ลมที่ไม่มีตัวตน" และด้วยเหตุนี้ เรื่องที่เข้าใจยากนี้จึงไม่มีอยู่จริงถ้าโดยพื้นฐานแล้วไม่พบวัตถุใด ๆ ในกระบวนการใด ๆ สิ่งนี้ก็เท่ากับไม่มีอยู่ นักฟิสิกส์ รวมทั้งผู้เขียนการทดลองที่จัดฉากไว้อย่างยอดเยี่ยม ไม่ได้ตระหนักถึงการล่มสลายของแนวคิดเรื่องอีเธอร์ในทันที และด้วยกรอบอ้างอิงที่แน่นอนนั้น
มีเพียง Albert Einstein ในปี 1905 เท่านั้นที่สามารถนำเสนอคำอธิบายใหม่ที่สอดคล้องกันและในขณะเดียวกันก็ปฏิวัติผลการทดลอง เมื่อพิจารณาถึงผลลัพธ์เหล่านี้โดยไม่ได้พยายามดึงอีเทอร์ที่เป็นการเก็งกำไรมาสู่พวกเขา Einstein ได้ข้อสรุปสองประการ:
- ไม่มีการทดลองเชิงแสงใดที่สามารถตรวจจับการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงและสม่ำเสมอของโลกได้ (สิทธิ์ที่จะพิจารณาว่าเป็นเช่นนี้ได้มาจากช่วงเวลาสั้นๆ ของการสังเกต)
- เกี่ยวกับกรอบอ้างอิงเฉื่อย ความเร็วของแสงในสุญญากาศจะไม่เปลี่ยนแปลง
ข้อสรุปเหล่านี้ (ครั้งแรก - ร่วมกับหลักการสัมพัทธภาพกาลิลี) เป็นพื้นฐานสำหรับการกำหนดสมมุติฐานอันโด่งดังของไอน์สไตน์ ดังนั้นการทดลองของมิเชลสัน-มอร์ลีย์จึงเป็นพื้นฐานเชิงประจักษ์สำหรับทฤษฎีสัมพัทธภาพพิเศษ
