În cadrul unuia dintre cele mai celebre experimente din
istoria fizicii, Albert Michelson şi Edward Morley au încercat în anul 1887 să
detecteze mişcarea eterului luminifer, un mediu imaginat în epocă pentru a
explica propagarea undelor de lumină. Experimentul a fost un eşec, dar a
contribuit la declanşarea unei adevărate revoluţii în fizică.
CE ESTE ETERUL?
Deşi natura ondulatorie a luminii fusese demonstrată încă
din jurul anului 1800 (experimentul lui Thomas Young), analogiile cu propagarea
sunetului prin aer şi calculul vitezei undelor sonore relativ la mediul de
propagare, dăduseră naştere de-a lungul secolului XIX câtorva teorii privind
mediul prin care se propagă lumina, mediu la care se credea pe atunci că este
relativă viteza luminii, în linia de gândire a relativităţii clasice. Se
considera că acel mediu misterios, denumit eter luminifer ori, simplu, eter,
este omniprezent, pătrunde prin orice, există şi în spaţiul cosmic, iar
caracteristicile sale permit propagarea undelor luminoase cu viteza
impresionantă a cărei valoare aproximativă fusese calculată încă de atunci.
Prin analogie cu propagarea undelor sonore prin diferite
medii, despre care se constatase experimental că circulă mai repede printr-un
mediu mai greu compresibil (de pildă, o bară de oţel) ori, la fel, mai rapid
prin mediile cu o greutate cât mai mică, se estima că acest eter ar trebui să
fie foarte, foarte uşor şi, în acelaşi timp, foarte greu de comprimat. Aceste
caracteristici îl făceau extrem de greu detectabil, aparent având de-a face cu
un mediu care înconjura şi pătrundea prin toată planeta Pământ, existent în
întregul sistem solar, dar care nu opunea nicio rezistenţă în faţa deplasării
pe orbitele circumsolare a planetelor ori altor corpuri cereşti. Toate acestea
fiind teoretizate, a apărut, desigur, problema detectării acestui mediu relativ
la care se credea că lumina se propagă cu o viteză de 186,350 de mile pe
secundă (+/- 30 mps), conform unor experimente efectuate în anul 1879 de către
unul dintre protagoniştii articolului de faţă, fizicianul american Albert
Abraham Michelson (1852-1931).
ETERUL ŞI MIŞCAREA PĂMÂNTULUI PRIN SPAŢIU
Cea mai celebră încercare de a detecta mişcarea relativă a
Pământului faţă de acest misterios eter luminifer îi aparţine aceluiaşi Albert
Michelson. Acesta era interesat de măsurarea cât mai exactă a valorii vitezei
luminii, iar la acea vreme existau câteva teorii care încercau să explice felul
în care valorile observate şi măsurate ale vitezei luminii ar putea fi afectate
de mişcarea prin sistemul solar a Pământului.
Terra parcurge distanţe imense pe parcursul mişcării
orbitale în jurul Soarelui, iar viteza sa pe orbita circumsolară este de
aproximativ 30 de km/s ori peste 108,000 de km/h. La fel, Soarele se roteşte în
jurul centrului galaxiei Calea Lactee cu viteză încă şi mai mare şi există şi
alte mişcări la nivele superioare ale structurii Universului. Se credea că din
moment ce Pământul este în mişcare, ar trebui să apară un "vânt
eteric" detectabil, dat de mişcarea Terra prin eter. Cu toate că uneori
era posibil ca mişcarea planetei să coincidă, ca orientare şi viteză, cu cea a
eterului, era imposibil ca planeta să rămână permanent în repaus faţă de eter,
din cauza variaţiilor vitezei şi direcţiei sale de deplasare prin sistemul
solar, dar şi al celorlalte mişcări de la nivele superioare ale structurii
Universului, amintite mai înainte. Se considera, şi pe bună dreptate având în
vedere modelul teoretic luat în considerare la acea vreme, că în fiecare punct
de pe suprafaţa planetei puterea şi direcţia acestui "vânt eteric" ar
trebui să varieze în funcţie de momentul zilei şi de anotimp.
Prin analizarea vitezei luminii în direcţii şi momente de
timp diferite, se considera că ar fi posibil să se măsoare mişcarea Pământului
relativ la eter. Diferenţa aşteptată a fi măsurată între valorile măsurate ale
vitezei luminii în diferite direcţii era foarte mică, având în vedere că viteza
pe orbita circumsolară a planetei Pământ este de aproximativ o sutime de
procent din viteza luminii. Existau şi teorii care susţineau ideea că Terra ar
trage, efectiv, eterul cu ea prin spaţiu, prin intermediul gravitaţiei.
Michelson însuşi credea că din moment ce eterul este în repaus şi Pământul se
deplasează prin el, valoarea vitezei luminii observată la suprafaţa planetei ar
trebui să depindă de direcţia de mişcare a undelor luminoase: în aceeaşi
direcţie cu mişcarea orbitală a Pământului ori în direcţie opusă. Un număr
destul de mare de fizicieni a încercat efectuarea acestor măsurători la
jumătatea secolului al XIX-lea, dar acurateţea necesară depăşea posibilităţile
instrumentelor vremii.
EXPERIMENTUL
Era nevoie de un alt tip de montaj experimental decât cele
încercate până atunci, şi acesta este momentul în care ingeniozitatea
extraordinară a unui experimentalist foarte talentat precum Albert Michelson
intră în scenă. În anul 1881, pe când
studia în laboratorul de fizică al lui Hermann von Helmholtz din Berlin,
Michelson proiectează şi construieşte un dispozitiv denumit interferometru,
care foloseşte o oglindă semitransparentă pentru a descompune o rază de lumină
în două componente care să se deplaseze în direcţii diferite (vezi figura de
mai jos).
Dispozitivul avea în compunere o sursă de lumină albă
îndreptată spre o oglindă semi-argintată al cărei rol era de a separa lumina în
două raze care să se deplaseze la un unghi de 90 de grade una faţă de cealaltă.
După trecerea prin mecanismul de separare a luminii, razele călătoresc până la
capetele a două braţe lungi unde sunt reflectate complet de alte două oglinzi.
Se recombină la celălalt capăt al oglinzii semi-argintate şi ajung la nivelul
unui detector unde are loc interferenţa celor două unde, una distructivă sau
constructivă, în funcţie de timpul parcurs de cele două raze.
Dacă Pământul ar călători prin eter, cum se presupunea atunci, ar fi trebuit ca
raza care călătoreşte paralel cu eterul să aibă nevoie de mai mult timp pentru
a parcurge distanţa în comparaţie cu cea care călătoreşte la un unghi de 90 de
grade faţă de eter, aşa cum rezultă din imaginile de mai jos (se pot efectua
calcule matematice simple care indică exact acelaşi lucru, folosindu-se legile
clasice pentru adunarea vectorilor vitezelor eterului şi luminii, reguli considerate corecte la cea vreme, dar
considerăm că aceste imagini sunt mai sugestive):
Interferometrul era prevăzut cu un mecanism de rotaţie,
astfel că direcţia razelor putea fi ajustată. Rezultatul ar fi trebuit să fie,
conform cu cele presupuse atunci, o întârziere a unuia dintre cele două
fascicule luminoase, care ar avea ca rezultat apariţia unor franje de
interferenţă pe baza cărora s-ar fi putut calcula mişcarea relativă a
Pământului faţă de eter.
Michelson a folosit acest instrument fără succes pentru
prima dată în 1881, pe când se afla în Germania. Nu a putut detecta deviaţiile
prevăzute de calculele iniţiale, dar a pus eşecul pe seama erorilor de măsură
datorate imperfecţiunilor instrumentelor folosite şi interferometrului.
Ulterior, lucrând în parteneriat cu Edward W. Morley (1838-1923) în Cleveland,
Ohio, a efectuat un alt experiment în iulie 1887. Deşi noul instrument era
extrem de sensibil, nu s-a înregistrat nici de această dată vreo diferenţă
între vitezele celor două raze de lumină, invalidându-se astfel ipoteza
iniţială a lui Michelson. În 1897 a efectuat experimentul la mare altitudine,
încercând să detecteze "vântul eteric" cât mai departe de suprafaţa
Pământului, luând în calcul acum varianta că Terra atrage cu ea eterul prin
spaţiu, prin intermediul gravitaţiei. Din nou, nicio dovadă despre vreo
influenţă a eterului asupra vitezei luminii. Se părea că aceasta era aceeaşi în
toate direcţiile, în complet dezacord cu ideea că Terra se mişcă prin acest
aşa-numit eter luminifer.
În următorii 50 de ani, mulţi fizicieni au repetat
experimentul, în moduri din ce în ce mai sofisticate şi folosind instrumente de
o precizie extraordinară, sperând că vor
găsi vreo greşeală care să anuleze concluzia incredibilă pe atunci că eterul nu
există. Rezultatele au fost mereu aceleaşi.
FINALUL TEORIEI ETERULUI
Experimentul Michelson-Morley a rămas în istorie drept cel
mai important experiment cu rezultat nul din istoria ştiinţei deoarece, deşi
Michelson a refuzat să recunoască, experimentul său a eşuat în a demonstra
existenţa eterului. Peste câţiva ani, în 1905, Albert Einstein avea să
postuleze că viteza luminii este constantă indiferent de observator, deşi se
pare că nu avea cunoştinţă despre experimentul Michelson-Morley pe atunci.
Experimentul lui Michelson şi Morley demonstrează cât de adânc era înrădăcinată
la finele secolului XIX ideea că lumina trebuie să călătorească relativ la un
anumit mediu, eterul. Vorbim, pe de o parte, de nevoia de a raporta viteza
luminii la un mediu, prin analogie cu propagarea sunetului prin aer, dar ne
referim şi la spiritul relativităţii clasice, care a dus la încercările
ulterioare de a explica rezultatul nul al experimentului în diverse moduri, cum
ar fi existenţa unei contracţii a obiectelor pe direcţia lor de mişcare,
iniţial imaginată a fi relativ la eter.
Niciun comentariu:
Trimiteți un comentariu