Το πείραμα Michelson-Morley
Η απόρριψη του αιθέρα

Άρθρο, Νοέμβριος 2002

Εισαγωγή

Κανένα πείραμα στην ιστορία της φυσικής δεν συζητήθηκε τόσο πολύ για τα αρνητικά του αποτελέσματα όσο το πείραμα των Michelson-Morley, που έγινε το 1887, που έδειξε ότι ήταν αδύνατο να μετρηθεί η απόλυτη ταχύτητα της Γης ή ότι δεν υπήρχε αιθέρας.

Ενώ οι εξισώσεις του Maxwell για τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα δεν απαιτούσαν την ύπαρξη κάποιου μέσου διάδοσης, όπως συμβαίνει στα μηχανικά κύματα, εν τούτοις οι φυσικοί του 19ου αιώνα πίστευαν ότι τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, άρα και το φως, χρειάζονταν ένα μέσο διάδοσης. Επειδή όμως ανάμεσα στη Γη και στον Ήλιο δεν εμφανιζόταν κανένα μέσον, οι φυσικοί υπέθεταν την ύπαρξη κάποιου μέσου διαφανούς κι άρα μη άμεσα παρατηρήσιμου. Το μέσον αυτό που υπήρχε παντού, ακόμη και στο κενό, το ονόμασαν αιθέρα.

Θεωρούσαν ότι τα κύματα φωτός αντιστοιχούσαν στις ταλαντώσεις του μέσου αυτού, που είχε περίεργες ιδιότητες. Δεν είχε μεν μάζα αλλά ήταν άκαμπτο και δεν επιδρούσε στις τροχιές κανενός ουράνιου σώματος. Οι φυσικοί, επίσης, πίστευαν ότι οι νόμοι του ηλεκτρομαγνητισμού ίσχυαν για ένα απόλυτο ή παγκόσμιο σύστημα αναφοράς, όπως το έλεγαν, και το οποίο ήταν ακίνητο ως προς τον αιθέρα.  Έτσι για να τους χρησιμοποιήσουν σε ένα άλλο σύστημα, που κινείται ως προς το απόλυτο  σύστημα αναφοράς του αιθέρα, έπρεπε να τους τροποποιήσουν.

Η ύπαρξη αυτού του απόλυτου συστήματος αναφοράς ήταν μεγάλης σημασίας γιατί η ταχύτητα του φωτός, ως προς τη Γη, θα έπρεπε να αλλάζει ανάλογα με την κατεύθυνση που το παρατηρούμε. Μέχρι στις αρχές του 20ου αιώνα δεν ήταν γνωστό ότι η σταθερότητα της ταχύτητας του φωτός. Έτσι λοιπόν αν η απόλυτη ταχύτητα του φωτός ως προς τον αιθέρα είναι c και v η ταχύτητα της Γης πάλι ως προς τον αιθέρα, τότε η παρατηρούμενη ταχύτητα του φωτός θα μπορούσε να ήταν c+v, για όμοιες κατευθύνσεις του φωτός και του αιθέρα ή c-v για αντίθετες κατευθύνσεις, δηλαδή θα άλλαζε ανάλογα με την διεύθυνση της ταχύτητας.

Η ιστορία

Αυτές οι υποθέσεις ήταν μέρος του ιστορικού υποβάθρου του πειράματος των Michelson-Morley. Με ένα συμβολόμετρο που είχε ανακαλύψει ο Albert Abraham Michelson (1852-1931) δεν βρήκαν καμιά απόδειξη του αιθέρα, προς μεγάλη έκπληξη και του ιδίου και των άλλων. Μια λακωνική περιγραφή του Michelson, που δημοσιεύτηκε το 1887 στο περιοδικό American Journal of Science, , για το πείραμα αναφέρει: "Η ερμηνεία αυτών των αποτελεσμάτων είναι ότι δεν υπάρχει μετατόπιση των κροσσών συμβολής . ... Η κατάληξη της υπόθεσης ενός στατικού αιθέρα δείχνει ότι δεν είναι σωστή".

Οι υπερασπιστές της ύπαρξης ενός "αιθέρα" ως μέσο διάδοσης για το φως δεν ήταν όμως έτοιμοι να σταματήσουν αυτή την ιδέα, και πρότειναν ότι η Γη έσερνε τον αιθέρα μαζί με αυτήν στην τροχιά της. Έτσι προσπάθησαν να κάνουν το πείραμα σε διάφορα υψόμετρα αλλά απέτυχαν. Οι Fitzgerald και Lorentz προσπάθησαν επίσης να δικαιολογήσουν το αρνητικό αποτέλεσμα κάνοντας την υπόθεση ότι τα μήκη των βραχιόνων του συμβολομέτρου μειώνονται κατά ένα ποσοστό και δεν υπάρχει καμιά διαφορά φάσης μεταξύ των δύο ακτίνων. 

Ο Λόρδος Rayleigh έγραψε στον Michelson, ωθώντας τον να επαναλάβει το πείραμα με μεγαλύτερη ακρίβεια για να εξετάσει αυτές τις υποθέσεις. Επανειλημμένα κατά τη διάρκεια των επόμενων 40 ετών έγινε με ακόμη μεγαλύτερη ακρίβεια και υπήρξε το ίδιο αρνητικό αποτέλεσμα. Αυτό λοιπόν το ιστορικό πείραμα του 1887 που είναι ένα από τα πειραματικά θεμέλια της σχετικότητας, ήταν αιτία να κερδίσει ο Michelson το βραβείο Νόμπελ Φυσικής το 1907.

Ενώ οι υπερασπιστές για την ύπαρξη ενός μέσου στο διάστημα, ένας "αιθέρα", υπάρχουν ακόμα, η καθιερωμένη άποψη είναι ότι δεν υπάρχει κανένα μέσο στο διάστημα. Ένας από τους λόγους για αυτήν την άποψη είναι ότι δεν υπήρξε κανένα άμεσο πειραματικό στοιχείο για την ύπαρξη του αιθέρα - όλα μπορούν να εξηγηθούν και χωρίς αυτό. Σύμφωνα με τη λεπίδα του Occam θα έπρεπε συνεπώς ν' απορριφθεί.

Η αντίθετη άποψη θεωρεί ότι η ύπαρξη του αιθέρα θα δημιουργούσε μια παράλογη μηχανική ιδιότητα, για ένα μέσο που υποστηρίζει τη διάδοση ενός κύματος με ταχύτητα 300.000 km/s. Ως γνωστόν η ταχύτητα οποιουδήποτε κύματος που ταξιδεύει σε ένα μέσο, περιέχει μέσα της την  τετραγωνική ρίζα μιας ελαστικής σταθεράς διαιρεμένη με την πυκνότητα του μέσου. Για να υποστηρίξει λοιπόν ο αιθέρας ένα κύμα με τη ταχύτητα του φωτός θα απαιτούσε μια απίστευτα μεγάλη "ακαμψία" για το χώρο που έχει σχεδόν μηδενική πυκνότητα. Ένα μέσο τόσο ισχνό που δεν παράγει ποτέ καμιά ανιχνεύσιμη αντίσταση στους πλανήτες που κινούνται μέσα από αυτό, θα πρέπει ακόμα να έχει μια απίστευτα υψηλή δύναμη επαναφοράς για να το φέρνει αμέσως πίσω στην ισορροπία μόλις περάσει ο πλανήτης.

Το 1879, ο Clerk Maxwell έγραψε στον D.P. Todd του Αμερικανικού Ναυτικού Αστεροσκοπείου στην Ουάσιγκτον, ότι εξέταζε τη δυνατότητα να υπολογίσει την ταχύτητα του ηλιακού συστήματος μέσω του αιθέρα, παρατηρώντας τις εκλείψεις των φεγγαριών του Δία. Ο φυσικός Roemer, στο παρελθόν, είχε χρησιμοποιήσει αυτές τις μετρήσεις των χρόνων έκλειψης για να μετρήσει την ταχύτητα του φωτός. Ο Maxwell όμως συμπέρανε ότι τα αποτελέσματα που επιδίωκε ήταν πολύ μικρά για να μετρηθούν - αλλά τον ισχυρισμό του Maxwell τον πρόσεξε ένας νέος εκπαιδευόμενος της Ναυτικής Ακαδημίας, ο Αlbert Michelson που είχε μεταφερθεί τότε σε αυτό το γραφείο. Το 1878 σε ηλικία 25 ετών, ο Michelson είχε κάνει μια άριστη μέτρηση της ταχύτητας του φωτός, και σκέφτηκε ότι η ανίχνευση της κίνησης μέσω του αιθέρα μπορεί να είναι μετρήσιμη.

Το πείραμα

Ο Michelson προχώρησε στην εφεύρεση ενός νέου οργάνου, με ακρίβεια πολύ μεγαλύτερη από εκείνη που υπήρχε μέχρι τότε, που σήμερα ονομάζεται συμβολόμετρο Michelson.

Στην εικόνα αριστερά βλέπουμε το συμβολόμετρο. Περιλαμβάνει δύο βραχίονες με μήκος L=11 m. Ο ένας βραχίονας είναι παράλληλος με την κατεύθυνση της κίνησης της Γης στο Διάστημα και ο άλλος βραχίονας είναι κάθετος. Η κίνηση του αιθέρα είναι αντίθετη με τη κίνηση της Γης μέσα στον αιθέρα.

Στην προσπάθεια να μετρηθεί η ταχύτητα της Γης μέσω του υποτιθέμενου "αιθέρα", χρειαζόμαστε τη γνώση της ταχύτητας της Γης στο διάστημα, περίπου V=30 km/s, άρα και την ταχύτητα του αιθέρα ως προς τη Γη. Με σύστημα αναφοράς τη Γη, η ταχύτητα του φωτός που κατευθύνεται προς το 2ο κάτοπτρο, πρέπει να είναι C-V (μετασχηματισμός Γαλιλαίου), και όταν φεύγει από το 2ο κάτοπτρο C-V, όπου C η ταχύτητα του φωτός ως προς τον αιθέρα. Η διαφορά του χρόνου μετάβασης και επιστροφής της ακτίνας στο 1ο κάτοπτρο δείχνεται ότι είναι t=2L/C.

Όταν φεύγουν οι ακτίνες έχουν την ίδια φάση αλλά όταν ανακλώνται πάνω στα δύο κάτοπτρα, έχουν διαφορά φάσης λόγω μεγαλύτερου χρόνου που έκανε η μία ακτίνα. Ενώνονται λοιπόν και συμβάλλουν δίνοντας φωτεινούς και σκοτεινούς κροσσούς συμβολής (κάτω σχήμα).

Κατά τη διάρκεια του πειράματος, το συμβολόμετρο στρεφόταν κατά 90ο για να αλλάξει η κατεύθυνση της ταχύτητας του αιθέρα ως προς τον ένα βραχίονα.

Αν η θεωρία του αιθέρα ήταν σωστή έπρεπε, λόγω περιστροφής του συμβολομέτρου, να δούμε μετατόπιση των κροσσών συμβολής, μικρή μεν μετρήσιμη δε. Το αποτέλεσμα όμως ήταν αρνητικό. Όσες φορές κι αν επανέλαβαν το πείραμα ποτέ δεν ανιχνεύτηκε έστω και η παραμικρή μετατόπιση. Το πείραμα έγινε σε διάφορες θέσεις της Γης και σε διαφορετικές εποχές. Ποτέ δεν υπήρξε καμιά μεταβολή στους κροσσούς συμβολής. Οι επιστήμονες της εποχής μεταξύ των οποίων και ο Michelson, εξεπλάγησαν που δεν υπήρξε καμία μετατόπιση.

Το αρνητικό αποτέλεσμα σήμαινε ότι ήταν αδύνατον να μετρηθεί η απόλυτη ταχύτητα της Γης ως προς το σύστημα του αιθέρα. Χρειαζόταν όμως το επαναστατικό πνεύμα του Αϊνστάιν (με την ειδική θεωρία της σχετικότητας-1905) και των επόμενων φυσικών για να δοθεί μια διαφορετική εξήγηση: Αφ' ενός ότι το φως είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα κι όχι μηχανικό, άρα δεν έχει την ανάγκη της ύπαρξης του αιθέρα για να διαδοθεί και αφ' ετέρου ότι το φως σε όλα τα συστήματα αναφοράς έχει την ίδια ταχύτητα.

Χρησιμοποιώντας τότε ο Michelson μια πηγή με μήκος κύματος περίπου 600 nm, έπρεπε να υπάρξει μια μετατόπιση περίπου 0.04 κροσσούς καθώς το φασματόμετρο περιστρεφόταν περίπου 360°.

Η λεπίδα του Occam

Η πλέον χρήσιμη διατύπωση της αρχής για τους επιστήμονες είναι: "Όταν έχουμε δύο ανταγωνιστικές θεωρίες οι οποίες κάνουν ακριβώς τις ίδιες προβλέψεις η απλούστερη εξ αυτών είναι και η καλύτερη". Στην φυσική χρησιμοποιούμε τη λεπίδα για να αποκόψουμε μεταφυσικές έννοιες. Το κλασσικό παράδειγμα είναι η θεωρία της ειδικής Σχετικότητας του Einstein συγκρινόμενη με την θεωρία του Lorentz η οποία και αυτή προβλέπει τη διαστολή του μήκους και τη συστολή του χρόνου όταν κανόνες και ρολόγια βρίσκονται σε κίνηση μέσα στον αιθέρα.

Οι εξισώσεις του Einstein για το μετασχηματισμό του χωρο-χρόνου είναι οι ίδιες με αυτές του Lorentz για τον μετασχηματισμό των κανόνων και των ρολογιών, αλλά ο Einstein και ο Poincare αναγνώρισαν ότι ο αιθέρας δεν θα μπορούσε ν' ανιχνευτεί σύμφωνα με τις εξισώσεις των Lorentz και Maxwell. Σύμφωνα με τη λεπίδα του Occam θα έπρεπε συνεπώς ν' απορριφθεί.