Hľadanie (zbytočného) prostredia

V druhej polovici 19. storočia popisovali fyzikálne deje dve rôzne teórie. Mechanické javy vystihovali Newtonove pohybové zákony z roku 1687. Elektrické, magnetické a optické procesy boli vyjadrené Maxwellovými rovnicami z roku 1865.

Tieto dve teórie však neboli kompatibilné. Krátko po Maxwellovom objave sa všeobecne očakávalo, že sa čoskoro podarí nájsť mechanické vysvetlenie elektromagnetizmu a poznávanie prírodných zákonov sa tým uzavrie. Jedno ani druhé sa však napokon nestalo.

Éter

Ako sme písali v predchádzajúcom čísle časopisu Quark, v polovici 19. storočia sa definitívne potvrdilo, že svetlo má vlnový charakter. Prirodzene sa teda predpokladalo, že ide o vlnenie v nejakom médiu podobne, ako je zvuk vlnením vo vzduchu. Médium dostalo meno éter. To, že to nemôže byť len také hocijaké médium, ukazuje polarizácia svetla. Jav, ktorý objavil už v roku 1669 dánsky učenec Rasmus Bartholin (1625 – 1698) a neskôr ho dôkladne študoval holandský fyzik Christiaan Huygens (1629 – 1695). Pri niektorých dejoch ako lom svetla na islandskom vápenci (kalcite) alebo sledovanie 3D kina sa na prvý pohľad rovnaké lúče svetla môžu správať dvoma veľmi rozdielnymi spôsobmi. Všeobecne existujú vlnenia dvoch rôznych druhov – pozdĺžne a priečne. Pozdĺžnym vlnením je napríklad zvuk, priečnym kmitanie gitarovej struny. Pre pozdĺžne vlnenie stačí, keď médium dokáže tlačiť, pre priečne vlnenie však musí byť médium schopné aj ťahať. V kvapalinách a plynoch sa teda priečne vlny šíriť nedokážu. Na vysvetlenie polarizácie musí mať svetelná vlna dva rôzne módy kmitania. Preto musí byť svetlo priečne vlnenie a éter musí byť pevné médium. Z rýchlosti svetla sa dá vypočítať zodpovedajúca tuhosť éteru a výsledkom je číslo niekoľko miliónkrát väčšie ako tuhosť ocele. Teória éteru teda predpovedá, že priestor zapĺňa extrémne tuhé médium, ale mimo interakcie so svetlom nijako neovplyvňuje pohyb telies. Spočiatku sa to bralo ako dôkaz proti vlnovej teórii svetla, po jej potvrdení sa nad tým pokrčilo plecami s tým, že sa to nejako vysvetlí.

Schematické znázornenie Michelsonovho-Morleyho experimentu. Vľavo je prístroj natočený v smere pohybu éteru, svetlu v tomto smere cesta k zrkadlu a späť trvá dlhšie ako v kolmom smere. Vpravo prístroj natočený pod uhlom 45° k smeru pohybu éteru a v oboch ramenách trvá svetlu cesta rovnako dlho. Výsledný interferenčný obrazec by teda mal byť v týchto prípadoch rôzny.
Na spoločnej fotografii Albert Einstein (vľavo) a Hendrik Lorentz v roku 1921, foto wikipédia/Rijksmuseum Boerhaave

Pozorovatelia

Vráťme sa ešte k jednému rozdielu medzi mechanikou a elektromagnetizmom. Kľúčovou vlastnosťou Newtonových pohybových rovníc je, že platia rovnako pre stojaceho pozorovateľa, ako aj pozorovateľa pri rovnomernom priamočiarom pohybe. To v sebe zahŕňa princíp, ktorý sformuloval už taliansky učenec Galileo Galilei (1564 – 1642) v roku 1632: neexistuje absolútny pohyb. Neexistuje preferovaná sústava, vzhľadom na ktorú by sa dali určovať rýchlosti. Tie majú zmysel iba medzi pozorovateľmi navzájom, sú relatívne. Ak však existuje éter, v ktorom sa šíria elektromagnetické vlny, toto médium by mohlo definovať jednu preferovanú sústavu. Vzhľadom na ňu by sa dali určovať rýchlosti absolútne. Galileiho princíp by preto mal platiť iba pre mechanické deje, ale nie pre elektromagnetické (a optické deje). Z iného pohľadu je tú istú vec vidieť aj priamo v Maxwellových rovniciach. Keď ich transformujeme do pohybujúcej sa sústavy, vyzerajú na rozdiel od Newtonových inak. Existuje len jedna sústava, v ktorej majú presne taký tvar, v akom ich napísal Maxwell. A to je tá preferovaná sústava, v ktorej éter stojí.

Rýchlosť zeme

Zem spolu so všetkými fyzikmi a meracími zariadeniami obieha okolo Slnka, a preto sa ich rýchlosť vzhľadom na éter počas roka mení. Teda na prvý pohľad by nemal byť problém zmerať rýchlosť Zeme vzhľadom na éter. No kým ešte bola vlnová teória svetla v plienkach, jeden z jej autorov, Francúz Augustin Fresnel (1788 – 1827), si v roku 1818 uvedomil problém. Aberácia hviezd (pozri Quark 7/2019) by z dôvodu meniacej sa rýchlosti Zeme v éteri mala vyzerať inak. Keby slnečná sústava v éteri stála, nemalo by k nej dochádzať vôbec. A. Fresnel to vysvetlil zaujímavou hypotézou – v skutočnosti telesá s éterom interagujú a čiastočne ho svojím pohybom strhávajú. Éter do istej miery nasleduje pohyb telies. Túto hypotézu potvrdil meraním rýchlosti svetla v pohybujúcej sa vode v roku 1851 ďalší Francúz, Hippolyte Fizeau (1819 – 1896). Keďže obežná rýchlosť Zeme okolo Slnka je približne 0,015 % rýchlosti svetla, predchádzajúce experimenty potvrdzovali Fresnelovu hypotézu iba s obmedzenou presnosťou.

Interferometer

Ukážka dvoch rôznych módov priečneho kmitania, ktoré sa šíri zľava doprava.

Tu prichádza na scénu jeden z najdôležitejších fyzikálnych experimentov vôbec. Albert Michelson (1852 – 1931) spoločne s Edwardom Morleym (1838 – 1923) v roku 1887 skonštruovali veľmi citlivý interferometer s cieľom oveľa presnejšie odmerať rýchlosť Zeme vzhľadom na éter. Ako prezrádza názov prístroja, kľúčovým efektom v pokuse je interferencia svetla. Keď svetelný lúč rozdelíme na dve časti, každú z nich necháme prejsť rôznu vzdialenosť a potom časti spojíme, nemusíme dostať svetlo pôvodnej intenzity. Svetlo je vlna, a preto sa časti lúča navzájom môžu zosilňovať alebo rušiť podobne ako vlny na vodnej hladine. Koniec-koncov pokusy britského vedca Thomasa Younga (1773 – 1829) zo začiatku 19. storočia, ktoré interferenciu svetla demonštrovali, boli najvýznamnejším dôkazom vlnových vlastností svetla. V experimente z roku 1887 sa táto myšlienka použila z iného konca. Dva lúče svetla prejdú tú istú dráhu, ale v rôznom smere. Prípadný rozdiel v časoch, ktoré to lúčom trvalo, by odhalila ich zmenená interferencia. Éterová hypotéza predpokladala, že svetlo sa šíri rôzne rýchlo v smere pohybu Zeme éterom a v smere kolmo na tento pohyb. Zariadenie sa dalo otáčať, takže bolo možné získať výsledky nezávisle od pohybu Zeme. Experiment prebiehal od apríla do júla, takže sa sledovala aj sezónna závislosť. Výsledok? Nijaká zmena rýchlosti svetla sa nepozorovala. Vôbec nijaká. Obe ramená interferometra sa pohybovali vzhľadom na éter rovnako bez ohľadu na to, v ktorom ročnom období sa meranie uskutočnilo a ako bolo zariadenie otočené. Teoretických fyzikov čakalo neľahké vysvetľovanie.

Tento článok si môžete prečítať v časopise Quark 08/2019.

Ak chcete mať prístup aj k exkluzívnemu obsahu pre predplatiteľov alebo si objednať tlačenú verziu časopisu Quark, prihláste sa alebo zaregistrujte.

Mgr. Juraj Tekel, PhD.
Katedra teoretickej fyziky FMFI
UK v Bratislave

Komentáre