Το πείραμα

Το διάγραμμα που υπάρχει πιο κάτω είναι παρμένο απ' το αυθεντικό διάγραμμα του Michelson. Η πηγή του φωτός είναι στο σημείο s, η γραμμή με κλίση 45ο, στο σημείο α παριστά έναν ημιδιαφανή καθρέφτη, ο οποίος επιτρέπει στη μισή ακτίνα φωτός να περάσει από μέσα του κι ανακλά την άλλη μισή, στα σημεία b και c υπάρχουν καθρέφτες κι ο παρατηρητής βρίσκεται στο σημείο d. Η ιδέα του Michelson ήταν να κατασκευάσει μία ίδια διαδρομή που θ' ακολουθούσε το φως, με τον αιθέρα να παίζει το ρόλο της κοίτης του ποταμού. Η πορεία του πειράματος είναι η εξής:

Experiment Μία λάμψη φωτός φεύγει απ' το σημείο s. Όταν φτάνει στο ημιδιαφανές κάτοπτρο, δηλ. στο σημείο α μισή ακτίνα φωτός συνεχίζει προς το σημείο c κι η άλλη μισή ανακλάται προς το σημείο b. Αυτές οι δύο "ημιακτίνες", ας υποθέσουμε ότι είναι οι δύο κολυμβητές. Και οι δύο έχουν να καλύψουν την ίδια απόσταση προς τους δύο καθρέφτες και να επιστρέψουν στο σημείο α, που βρίσκεται το ημιδιαφανές κάτοπτρο. Στο σημείο αυτό και πάλι διαχωρίζεται η κάθε "ημιακτίνα" στα δύο, αλλά ο παρατηρητής έχει τη δυνατότητα να αντιληφθεί τι γίνεται σ' αυτό το σημείο, πριν ακόμα επαναδιασπασθούν οι ακτίνες φωτός.

Με δεδομένο ότι οι δύο "ημιακτίνες" διανύουν την ίδια απόσταση, ας την ονομάσουμε w, αν υπάρχει κάποιος άνεμος αιθέρα θα πρέπει να έχει κατεύθυνση, να φυσάει προς τα κάπου δηλαδή, οπότε ο άνεμος αυτός θα προκαλεί τη, μικρή έστω αλλά δεδομένη, καθυστέρηση κάποιας ακτίνας φωτός ή της μίας ή της άλλης.

Αν υπολογίσουμε τους δύο χρόνους που χρειάστηκαν οι "ημιακτίνες" (κι αυτό είναι μια διαδικασία που περικλείει μεγάλη μαθηματική ανάλυση και γι' αυτό παραλέιπεται) μπορούμε να δούμε ότι διαφέρουν μόνο κατά μία ποσότητα πολύ πολύ μικρή. Θέτοντας μια ταχύτητα στον αιθέρα ίση ή περίπου ίση με την ταχύτητα περιστροφής της γης, η ποσότητα είναι ίση με 1/10,000 και υψώνοντας στο τετράγωνο ο αντίστοιχός όρος είναι ίσος με 1/100,000,000. Αυτό σημαίνει ότι διαφορά χρόνου στις λάμψεις των δύο "ημιακτινών" είναι της τάξης χιλιοστών των εκατομμυριοστών του δευτερολέπτου. Η προσπάθεια ν' ανιχνευθεί μια τέτοια χρονική διαφορά είναι σίγουρα απέλπιδη. Βέβαια ο Μichelson το είχε αντιληφθεί και δεν περίμενε να δει καμιά τέτοια διαφορά στις λάμψεις. Και μάλιστα στην πραγματικότητα ο Michelson δεν είχε στείλει λάμψεις φωτός, αλλά δύο σταθερές ακτίνες κάποιου χρώματος, οι οποίες ακολουθούν την όλη πορεία που μέχρι τώρα περιγράψαμε, δηλαδή η μία εκτρέπεται απ' την πορεία της και ταξιδεύει κατακόρυφα, ενώ η άλλη συνεχίζει κανονικά την πορεία της και οι δύο ανακλώνται κι επιστρέφουν στο ημιδιαφανές κάτοπτρο.

Ο Michelson προσπάθησε να μεγεθύνει τη διαφορά στους χρόνους των δύο ακτινών στέλνοντας τις να κάνουν την ίδια διαδρομή πολλές φορές η καθεμία, έτσι ώστε να μπορέσει να παρατηρήσει αυτά που προσπαθούσε να υπολογίσει με τα μαθηματικά.

Ο Michelson υπολόγισε ότι θα του ήταν αρκετό να είχε ο άνεμος του αιθέρα μια ταχύτητα γύρω στο ενάμισι χιλιόμετρο την ώρα για να τον παρατηρήσει. Αν όντως ο άνεμος του αιθέρα είχε μια ταχύτητα ανάλογη μ' αυτήν της περιστροφής της γης, τότε θα ήταν πολύ εύκολο να την παρατηρήσει. Αλλά στην πραγματικότητα τίποτα δεν παρατήρησε. Λίγο καιρό αργότερα το πείραμα επανασχεδιάστηκε έτσι ώστε ο άνεμος του αιθέρα που προκαλούνταν απ' την περιστροφή της γης γύρω απ' τον άξονά της να μπορούσε να παρατηρηθεί. Και πάλι τίποτα δεν έγινε. Μετά σκέφτηκε ότι ο αιθέρας θα μπορούσε με κάποιον περίεργο τρόπο να εφάπτεται, να "κολλάει" πάνω στη γη, οπότε αποφάσισε να επαναλάβει το πείραμα στην κορυφή ενός ψηλού βουνού στην Καλιφόρνια. Τίποτα για μία ακόμη φορά. Ο αιθέρας δεν μπορούσε να ανιχνευθεί.

Το μόνο αποτέλεσμα που μπορούσε να εξαχθεί με κάποιο τρόπο, και μετά από μια μεγάλη σειρά δύσκολων πειραμάτων, ήταν ότι η ύπαρξη του αιθέρα ήταν μια σύλληψη εξ αρχής λανθασμένης. Ο Michelson ήταν πολύ διστακτικός στο να δεχτεί κάτι τέτοιο. Απ' τη δεκαετία του 1860 βέβαια και κυρίως απ' τη δουλειά του Maxwell υπήρχε ένα νέο ρεύμα όσον αφορούσε τη φύση του φωτός. Οι εξισώσεις του Maxwell μπορούσαν να περιγράψουν πως το ηλεκτρικό και το μαγνητικό πεδίο μπορούσαν το ένα να ξεπηδήσει απ΄ το άλλο, πως απ' αυτά τα πεδία μπορούν να ξεπηδήσουν κύματα που θα ταξιδεύουν με τη γνωστή ταχύτητα του φωτός. Τα κύματα αυτά δε θα μπορούσαν να είναι άλλα απ' τα φωτεινά κύματα. Αλλά αυτό οδηγούσε την επιστημονική σκέψη σ' ένα ακόμα πιο δύσκολο πρόβλημα: Ναι οι εξισώσεις προέβλεπαν την ύπαρξη κυμάτων φωτός και με τη συγκεκριμένη ταχύτητα, αλλά σε σχέση με τι μετρούνταν αυτή η ταχύτητα; Η ταχύτητα του ήχου, για παράδειγμα, μετρούνταν σε σχέση, με βάση τον άνεμο. Πως τώρα θα μπορούσε να γίνει μία ανάλογη αναγωγή;

Υπάρχει βέβαια μία απάντηση που μάλλον φαίνεται προφανής στο παραπάνω ερώτημα. Το φως τρέχει με την ταχύτητα c σε σχέση με την πηγή που το εκπέμπει φυσικά. Για να γίνει πιο παραστατικό το ανάλογο είναι ένα όπλο, το οποίο εκτοξεύει σφαίρες. Οι σφαίρες έχουν μία ταχύτητα σε σχέση με το όπλο. Αν το όπλο τώρα βρίσκεται πάνω σε ένα όχημα, σε ένα τανκ, ας πούμε, το οποίο κινείται κι αυτό προς την κατεύθυνση που φεύγουν οι σφαίρες τότε αυτές θα έχουν μια ταχύτητα μεγαλύτερη απ' το αν το όπλο ήταν ακίνητο στο έδαφος. Αντίστοιχα για το φως; Θα πρέπει να εκπέμψουμε μια λάμψη από μία ακίνητη πηγή και μετά μία άλλη από μια πηγή που θα κινείται στην ίδια διεύθυνση και φορά και στο τέλος να μετρήσουμε τη διαφορά στις ταχύτητες των φωτεινών ακτινών.

Στην πραγματικότητα αυτό έγινε εφικτό μόλις στα τελευταία τριάντα χρόνια με την παραγωγή σωματιδίων, που λέγονται ουδέτερα πιόνια. Αυτά τα σωματίδια είναι δυνατό να εκπέμψουν φως, ενώ κινούνται με μια ταχύτητα της τάξης των 200,000 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο. Ακόμα και σ' αυτές τις μετρήσεις παρατηρήθηκε ότι η ταχύτητα του φωτός ήταν σταθερή και ίση με 300.000 χιλιόμετρα ανά δευτερόλεπτο (κατά προσέγγιση) κι ανεξάρτητη απ΄ την ταχύτητα των πιονίων.

Σχετικοί Σύνδεσμοι (εξωτερικές σελίδες)