V druhé polovině 19. století začaly fyzikální názory na povahu šíření světla, působení gravitace a některých dalších jevů stále zřetelněji narážet na potíže. Byly spojeny s éterickým pojmem dominujícím ve vědě. Myšlenka na provedení experimentu, který by vyřešila nahromaděné rozpory, jak se říká, byla ve vzduchu.
V 80. letech 19. století byla připravena řada experimentů, na tehdejší dobu velmi složitých a subtilních - Michelsonovy experimenty ke studiu závislosti rychlosti světla na směru pohybu pozorovatele. Než se budeme podrobněji zabývat popisem a výsledky těchto slavných experimentů, je nutné připomenout, co byl pojem éter a jak byla chápána fyzika světla.
Pohledy na povahu světa z 19. století
Na začátku století zvítězila vlnová teorie světla a získala skvělé experimentypotvrzení v dílech Junga a Fresnela a později - a teoretické zdůvodnění v díle Maxwella. Světlo naprosto nepopiratelně vykazovalo vlnové vlastnosti a korpuskulární teorie byla pohřbena pod hromadou faktů, která nedokázala vysvětlit (obnovena by byla až na začátku 20. století na zcela novém základě).
Nicméně tehdejší fyzika si nedokázala představit šíření vlny jinak než mechanickými vibracemi média. Je-li světlo vlnou a je schopno se šířit ve vakuu, pak vědcům nezbylo nic jiného, než předpokládat, že vakuum je vyplněno určitou látkou díky svým vibracím, které vedou světelné vlny.
Svítící éter
Tato tajemná látka, beztížná, neviditelná, nezaregistrovaná žádnými zařízeními, se nazývala éter. Michelsonův experiment byl navržen tak, aby potvrdil skutečnost jeho interakce s jinými fyzickými objekty.
Hypotézy o existenci éterické hmoty vyslovili Descartes a Huygens v 17. století, ale v 19. století se stala nezbytnou jako vzduch a zároveň vedla k neřešitelným paradoxům. Faktem je, že aby éter obecně existoval, musel mít vzájemně se vylučující nebo obecně fyzicky neskutečné vlastnosti.
Rozpory pojetí éteru
Aby odpovídal obrazu pozorovaného světa, musí být světélkující éter absolutně nehybný – jinak by byl tento obraz neustále zkreslený. Ale jeho nehybnost byla v nesmiřitelném rozporu s Maxwellovými rovnicemi a principemGalileovská relativita. V zájmu jejich zachování bylo nutné přiznat, že éter je unášen pohybujícími se těly.
O éterické hmotě se navíc soudilo, že je absolutně pevná, souvislá a přitom v žádném případě nebrání pohybu těles přes ni, je nestlačitelná a navíc mající příčnou pružnost, jinak by nevedla elektromagnetické vlny. Navíc byl éter koncipován jako všeprostupující substance, což se opět příliš nehodí k myšlence jeho vášně.
Nápad a první inscenace Michelsonova experimentu
Americký fyzik Albert Michelson se začal zajímat o problém éteru poté, co si přečetl Maxwellův dopis, publikovaný po Maxwellově smrti v roce 1879, popisující neúspěšný pokus o detekci pohybu Země vzhledem k éteru v časopise Nature.
V roce 1881 se uskutečnil Michelsonův první experiment k určení rychlosti světla šířícího se v různých směrech vzhledem k éteru, pozorovateli pohybujícímu se se Zemí.
Země pohybující se na oběžné dráze musí být vystavena působení tzv. éterického větru – jevu podobnému proudění vzduchu proudícímu na pohybující se těleso. Monochromatický světelný paprsek nasměrovaný rovnoběžně s tímto „větrem“se bude pohybovat směrem k němu, ztratí trochu na rychlosti, a naopak (odrážející se od zrcadla) v opačném směru. Změna rychlosti je v obou případech stejná, ale je jí dosaženo v různých časech: zpomalenému „protijedoucímu“paprsku bude cesta trvat déle. Tedy světelný signálvyzařovaný paralelně s „éterovým větrem“bude nutně zpožděn ve vztahu k signálu cestujícímu na stejnou vzdálenost, také s odrazem od zrcadla, ale v kolmém směru.
K registraci tohoto zpoždění bylo použito zařízení vynalezené samotným Michelsonem - interferometr, jehož činnost je založena na jevu superpozice koherentních světelných vln. Pokud by se jedna z vln zpozdila, interferenční obrazec by se posunul v důsledku výsledného fázového rozdílu.
Michelsonův první experiment se zrcadly a interferometrem nedal jednoznačný výsledek kvůli nedostatečné citlivosti zařízení a podcenění četných interferencí (vibrací) a vyvolal kritiku. Bylo požadováno výrazné zlepšení přesnosti.
Opakovaná zkušenost
V roce 1887 vědec zopakoval experiment společně se svým krajanem Edwardem Morleym. Použili pokročilé nastavení a věnovali zvláštní péči eliminaci vlivu vedlejších faktorů.
Podstata zážitku se nezměnila. Světelný paprsek shromážděný pomocí čočky dopadal na polopropustné zrcadlo nastavené pod úhlem 45°. Zde se rozdělil: jeden paprsek pronikl přes přepážku, druhý šel v kolmém směru. Každý z paprsků byl poté odražen obyčejným plochým zrcadlem, vrácen do rozdělovače paprsků a poté částečně zasáhl interferometr. Experimentátoři byli přesvědčeni o existenci „éterického větru“a očekávali zcela měřitelný posun o více než třetinu interferenčního proužku.
Nebylo možné zanedbat pohyb sluneční soustavy ve vesmíru, takže myšlenka experimentu zahrnovala možnost otáčet instalaci za účelem doladění směru „éterického větru“.
Aby se předešlo rušení vibrací a zkreslení obrazu při otáčení zařízení, byla celá konstrukce umístěna na masivní kamennou desku s dřevěným toroidním plovákem plovoucím v čisté rtuti. Základ pod instalací byl pohřben do skály.
Experimentální výsledky
Vědci prováděli pečlivá pozorování po celý rok a otáčeli talířem se zařízením po směru a proti směru hodinových ručiček. Interferenční obrazec byl zaznamenán v 16 směrech. A navzdory přesnosti, která v jeho době neměla obdoby, Michelsonův experiment provedený ve spolupráci s Morleym přinesl negativní výsledek.
Fázové světelné vlny opouštějící rozdělovač paprsků dosáhly cílové čáry bez fázového posunu. To se opakovalo pokaždé, v jakékoli poloze interferometru, a znamenalo to, že rychlost světla v Michelsonově experimentu se za žádných okolností nezměnila.
Kontrola výsledků experimentu byla prováděna opakovaně, včetně XX století, pomocí laserových interferometrů a mikrovlnných rezonátorů, dosahujících přesnosti jedné desetimiliardtiny rychlosti světla. Výsledek zážitku zůstává neotřesitelný: tato hodnota se nemění.
Smysl experimentu
Z experimentů Michelsona a Morleyho vyplývá, že „éterický vítr“a následně tato nepolapitelná hmota samotná prostě neexistuje. Není-li jakýkoli fyzický objekt v zásadě detekován v žádném procesu, rovná se to jeho nepřítomnosti. Fyzikové, včetně autorů brilantně zinscenovaného experimentu, si zhroucení konceptu éteru a s ním i absolutního referenčního rámce hned neuvědomili.
Pouze Albert Einstein v roce 1905 dokázal předložit konzistentní a zároveň revoluční nové vysvětlení výsledků experimentu. Vzhledem k tomu, že tyto výsledky jsou takové, jaké jsou, aniž by se k nim snažil přitáhnout spekulativní éter, Einstein dospěl ke dvěma závěrům:
- Žádný optický experiment nedokáže detekovat přímočarý a rovnoměrný pohyb Země (právo považovat jej za takový je dáno krátkým trváním aktu pozorování).
- Pokud jde o jakoukoli inerciální vztažnou soustavu, rychlost světla ve vakuu se nemění.
Tyto závěry (první - v kombinaci s galileovským principem relativity) posloužily jako základ pro Einsteinovu formulaci jeho slavných postulátů. Michelson-Morleyův experiment tedy posloužil jako pevný empirický základ pro speciální teorii relativity.
