Експериментът на Майкелсън-Морли: как един неуспешен експеримент доведе до първата голяма революция на Айнщайн
Как един грациозен опит разруши старите показа за Вселената.
В края на XIX век физиката е на прага на революционна смяна, въпреки че тогава никой не подозира за това. Учените са били уверени, че светлината, сходно на звука или вълните във водата, би трябвало да се популяризира през някаква среда. Тази хипотетична субстанция била наречена „ светоносен етер “. Предполагало се, че етерът изпълва цялото пространство, в това число вакуума, и служи като среда за разпространяване на електромагнитните талази, в това число светлината.
Теорията за етера изглеждала разумно продължение на сполучливите вълнови теории, обясняващи държанието на звука и други вълнови феномени. Тя обаче повдига редица въпроси по отношение на физическите свойства на етера, взаимоотношението му с елементарната материя и опцията за пробното му разкриване. Именно последният въпрос притегля вниманието на Алберт Ейбрахам Майкелсън, американски физик от немски генезис.
Михелсън взема решение да организира опит, който да потвърди или отхвърли съществуването на етера. Идеята му се основава на догатката, че в случай че етерът съществува и е имобилен по отношение на безспорното пространство, то придвижването на Земята през този етер би трябвало да основава „ етерен вятър “. Този резултат щял да въздейства на скоростта на светлината в разнообразни направления, тъкмо както придвижването на лодка въздейства на скоростта ѝ в и против течението на река.
За провеждането на опита Майкелсън създава специфичен инструмент, наименуван интерферометър. Този инструмент е кадърен да мери извънредно дребни разлики в скоростта на светлината с невиждана акуратност. Принципът на интерферометъра се състои в разделянето на светлинния лъч на два перпендикулярни лъча, които изминават идентични дистанции в перпендикулярни направления, и по-късно се свързват още веднъж, създавайки интерференчна картина. Ако съществуваше етер, лъч, пътуващ паралелно на придвижването на Земята, би трябвало да измине пътя си за друго време от лъча, пътуващ перпендикулярно. Тази разлика би трябвало да се прояви в изместване на интерференчните линии.
Майкелсън организира първия опит през 1881 година в Берлин. Въпреки високата акуратност на уреда не е намерено доста изместване на интерференчните линии. Този резултат опонира на теорията за етера, само че Майкелсън не е изцяло задоволен от точността на опита и взема решение да го повтори с усъвършенствано съоръжение.
През 1887 година Майкелсън, към този момент взаимно с химика Едуард Морли, организира усъвършенстван опит. Новият интерферометър е доста по-голям и по-точен. Оптическият път на лъчите е повишен до 11 метра посредством многократни отблясъци, а инструментът е инсталиран върху солидна каменна плоча, плаваща в живак, с цел да се понижат вибрациите. Експериментът е извършен неведнъж в разнообразни елементи на деня и годината, с цел да се отчетат всички вероятни направления на придвижване на Земята по отношение на хипотетичния етер.
Въпреки всички усъвършенствания, резултатът останал същият – не било засечено никакво по-значително разбъркване на интерференчните линии. Скоростта на светлината била идентична във всички направления с акуратност до 5 км/сек, което било доста по-малко от предстоящата разлика от 30 км/сек, дължаща се на орбиталното придвижване на Земята.
Резултатите от опита на Майкелсън-Морли провокират комплициране в научната общественост. Предложени са разнообразни теории, които да обяснят „ нулевия резултат “. Огюстен Френел допуска, че движещите се тела са отчасти увлечени от етера. Джордж Фицджералд и Хендрик Лоренц без значение един от различен оферират движещите се обекти да се свиват по посока на придвижването, което би компенсирало резултата на етерния вятър. Някои учени даже се връщат към концепцията на Нютон, че светлината е формирана от частици, предавани от източник. Всички тези теории обаче или опонират на други наблюдения, или наподобяват прекомерно комплицирани и изкуствени.
Решението на загадката пристигнало по непредвиден метод. През 1905 година младият физик Алберт Айнщайн разгласява публикация, озаглавена „ За електродинамиката на движещите се тела„, в която показва специфичната доктрина на относителността. Айнщайн постулира, че законите на физиката са едни и същи във всички инерциални насочни системи и че скоростта на светлината във вакуум е непрекъсната и не зависи от придвижването на източника или наблюдаващия. Тези на пръв взор елементарни изказвания водят до революционни изводи, в това число до изоставянето на концепцията за безусловно време и пространство, относителността на едновременността на събитията и еквивалентността на масата и силата. Теорията на Айнщайн елегантно изяснява резултатите от опита на Майкелсън-Морли, без да е нужен етер или други спомагателни хипотези.
Експериментът на Майкелсън-Морли се трансформира в един от най-влиятелните опити в историята на физиката. Той освен опровергава господстващата повече от век доктрина за светлинния етер, само че и става пробна основа за основаването на специфичната доктрина на относителността. Тя също по този начин показва смисъла на „ негативните “ резултати в науката и подтиква развиването на технологиите за премерване с висока акуратност.
Идеите, залегнали в основата на опита на Майкелсън-Морли, не престават да оказват въздействие върху актуалната физика. Лазерни интерферометри, основани на същия принцип, се употребяват за разкриване на гравитационните талази. Високопрецизните атомни часовници, учредени на стабилността на скоростта на светлината, се употребяват в световните системи за позициониране. Принципът на постоянството на скоростта на светлината е в основата на актуалната квантова доктрина на полето и теорията на обикновените частици.
Експериментът на Майкелсън-Морли е прегледен образец за това по какъв начин един „ несполучлив “ опит може да докара до революционни открития. Той сподели, че природата от време на време не е такава, каквато наподобява, и че научният способ, учреден на деликатни измервания и подготвеност за преразглеждане на съществуващите теории, е мощен инструмент за схващане на света. Този опит вечно промени разбирането ни за основите на Вселената и отвори пътя към нови хоризонти във физиката, които продължаваме да изследваме и през днешния ден.
