Eteris (fizika): šviesusis eteris – samprata, istorija ir eksperimentai
Eteris (fizika): sužinokite apie šviesųjį eterį — sampratą, istoriją, Michelsono–Morlio ir kitus eksperimentus, kurie paneigė eterio egzistavimą.
Šviesusis eteris - tai hipotezuojama medžiaga, kuri, kaip kadaise manyta, užpildo Visatą ir paaiškina, kaip gali vykti šviesos bangų perdavimas. XIX a. fizikai laikė šviesą banga; pažįstamų bangų pavyzdžiai – bangos ant vandens, garso bangos ore ar plieniniame kūne – visos reikalauja terpės, per kurią sklinda. Garso bangos, pavyzdžiui, sklinda kitaip per orą ir kitaip per plieną, todėl manyta, kad ir šviesą turi nešti tam tikra „terpė“. Kadangi šviesa sklinda labai dideliu greičiu, eteris buvo įsivaizduojamas kaip ypatingai standi, tačiau tuo pačiu labai plastiška ir beveik be masės — tokiu būdu jis neturėtų pastebimai trikdyti planetų judėjimo. Ankstyvieji mokslininkai prieš Alberto Einšteino, daugeliui ši idėja atrodė logiška ir jie vadino ją „šviesiuoju eteriu“.
Šią idėją galima suprasti per paprastą palyginimą: jei plaukitume valtimi upės srovėje, bangos ant vandens, kurios sklinda prieš srovę ar su srove, atrodys kitaip nei stebint jas stovint krante. Taigi, jeigu egzistuotų eteris ir Žemė judėtų per jį, šviesos greitis turėtų priklausyti nuo judėjimo krypties ir greičio, ir tai būtų įmanoma išmatuoti.
Istoriniai eksperimentai ir jų reikšmė
XIX a. pabaigoje buvo atlikta keletas eksperimentų, siekiančių aptikti Žemės „judėjimą per eterį“. Iš jų garsiausias yra Michelsono-Morlio eksperimentas (1887). Jos autorės sukonstravo interferometrą, skirtą matuoti galimas šviesos bangos fazių poslinkius (fringes), kurie turėtų atsirasti, jei šviesos greitis priklausytų nuo judėjimo per eterį. Eksperimento laukiamas rezultatas — aiškus poslinkis tarp interferencinių juostų — nepasireiškė: pastebėtas rezultatas buvo arti nulio. Kitaip tariant, nebuvo rasta jokio akivaizdaus eterio „vėjo“ poveikio šviesos greičiui.
Ankstesni ir papildomi bandymai taip pat prisidėjo prie nuomonių susiformavimo. Pavyzdžiui, Fizeau eksperimentas (1851) matavo šviesos greitį judančiame vandenyje ir parodė dalinį „pertempimą“ (Fresnelio trauka), o Bradley pastebėjimas (stellar aberration) buvo dar vienas faktorius, reikalavęs aiškinimo. Po Michelsono–Morlio nulio rezultato kai kurie mokslininkai, kaip Hendrikas Lorentzas ir Georgeʼas FitzGeraldas, pasiūlė mechanizmus (pvz., kontrakciją judančiuose kūnuose), kurie paaiškintų eksperimentų rezultatus išlaikant eterio idėją.
Einšteinas ir specialioji reliatyvumo teorija
1905 m. Albertas Einšteinas pasiūlė specialiąją reliatyvumo teoriją, kurios dvi esminės prielaidos yra: (1) gamtos dėsniai yra vienodi visiems judantiems stebėtojams (relatyvumo principas) ir (2) šviesos greitis vakuume yra vienodas visiems stebėtojams, nepriklausomai nuo jų judėjimo. Ši teorija sėkmingai paaiškino Michelsono–Morlio ir kitų eksperimentų rezultatus be būtinybės tvirtinti egzistuojant mechaninį eterį. Vėliau Lorentzo transformacijos buvo suprastos kaip natūralus specialiosios reliatyvumo padarinys.
Reikia pažymėti, kad vėliau, kalbėdamas apie visatos struktūrą, pats Einšteinas kartais naudojo žodį „eteris“ apibūdindamas erdvės metriką arba gravitacinio lauko savybes bendresniame — bendrosios reliatyvumo — kontekste. Tačiau tai visiškai skiriasi nuo XIX a. mechaninio eterio idėjos: šiuolaikinis „eterio“ vartojimas, kai jis apskritai minimas, reiškia ne medžiaginę terpę, o erdvės ir laiko savybes bei kvantinius vakuumo laukus.
Naujausi tyrimai ir šiandieninė padėtis
Per XX ir XXI a. atlikta daug tikslinių bandymų (pvz., Kennedy–Thorndike, Trouton–Noble, Hughes–Drever ir modernios mikroresonatorių bei lazerinių interferometrų priemonės), kurių tikslas — aptikti bet kokią šviesos greičio izotropijos pažeidimą arba „paslėptą“ inercinę sistemą. Šiuolaikiniai eksperimentai neabejotinai patvirtina, kad šviesos greitis vakuume yra labai artimas konstantai ir neparodo priklausomybės nuo Žemės judėjimo tam reikšmingu mastu. Laboratoriniai ribojimai yra itin griežti — bet kokia galima šviesos greičio anizotropija yra mažesnė už labai mažas reikšmes, kurias nustato šiuolaikiniai prietaisai.
Be to, palydovinės sistemos (pvz., GPS) ir aukšto tikslumo optiniai laikrodžiai taip pat suderinami su specialiąja reliatyvumo teorija, o tai praktiškai eliminuoja poreikį manyti apie klasikiniu būdu apibrėžtą šviesų eterį. Dabartinė fizika vietoj to kalba apie kvantinį vakuumą, lauke atsirandančias kvantines fluktuacijas ir apie erdvės-laiko geometriją (bendroji reliatyvumo teorija) — tai nėra „eteris“ tradicine prasme, nors tam tikrose metaforose kartais ir vartojamas toks terminas.
Išvados
- Šviesusis eteris kaip mechaninė terpė, kurią galima matuoti klasikiniais eksperimentais, šiandien laikomas nereikalingu ir neturinčiu eksperimentinio pagrindo.
- Eksperimentai nuo XIX a. pabaigos iki šiol palaiko idėją, kad šviesos greitis vakuume yra pastovi ir izotropinė (vienodas visomis kryptimis) labai dideliu tikslumu.
- Moderni fizika nagrinėja erdvės ir laiko savybes per kvantinės laukų ir reliatyvumo teorijų prizmę; terminas „eteris“ kartais pavartojamas istorinėje arba metaforinėje prasmėje, bet ne kaip XIX a. idėjos tęsinys.
Raudonasis erdvėlaivis juda nuo geltonosios žvaigždės link mėlynosios. Apačioje esančiame intarpe pavaizduoti abiejų žvaigždžių šviesos greičio matuokliai.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra fotoporos eteris?
Atsakymas: Šviesusis eteris - tai medžiaga, kuri, kaip kadaise manyta, užpildo visatą ir paaiškina, kaip gali sklisti šviesos bangos. Žmonės manė, kad šviesa yra tam tikra banga ir kad ji turi sklisti tam tikra terpe, kad jos greitis būtų pastovus.
K: Kuo žmonės tikėjo apie šią medžiagą?
Atsakymas: Žmonės manė, kad ši medžiaga turėjo būti labai mažo klampumo, kad ji nestabdytų planetų judėjimo ir jos galiausiai nenukristų į savo saules. Jie taip pat manė, kad tai gali padėti paaiškinti, kodėl šviesa sklinda tokiu dideliu greičiu.
K: Kaip fizikai bandė paaiškinti šį klausimą?
A: Fizikai atliko eksperimentus, pavyzdžiui, Michelsono ir Morlio eksperimentą, siekdami nustatyti, ar šviesa iš tikrųjų sklinda nematoma terpe.
K: Ką parodė Michelsono-Morlio eksperimentas?
Atsakymas: Michelsono ir Morley eksperimentas parodė, kad nėra terpės, per kurią galėtų sklisti šviesa, o tai reiškia, kad nėra šviesą skleidžiančio eterio.
Klausimas: Kaip galime įsivaizduoti, kas vyksta, kai stebėtojas keliauja valtimi, plaukiančia vandenyno srovėje?
Atsakymas: Jei stebėtojas plauktų valtimi vandenyno srove, jis galėtų stebėti, kaip keičiasi bangų greitis, priklausomai nuo jų santykio su srove.
K: Ką mums apie santykinį greitį pasakytų kosminis laivas, keliaujantis iš vienos žvaigždės į kitą?
Atsakymas: Jei įsivaizduotume labai greitą erdvėlaivį, skriejantį pusės šviesos greičio greičiu nuo vienos žvaigždės iki kitos, pamatytume, kad abiejų fotonų greitis, nepriklausomai nuo judėjimo ar krypties, yra 300 000 km/s - tai rodo, kad greičiai nesikeičia priklausomai nuo erdvėlaivio judėjimo.
Ieškoti