В 1887 году двое ученых решили измерить, как скорость света меняется при движении Земли. То, что они не нашли, изменило мир.
«Выводы, причудливые выводы возникают как бы с величайшей легкостью: рассуждения нерушимы. Похоже, что он пришел к выводам чистым размышлением, без посторонней помощи, не прислушиваясь к мнению других. В удивительно большой степени именно это он и сделал». -К. П. Сноу о работе Эйнштейна 1905 года
Мы любим сосредотачиваться на научных успехах: на людях, экспериментах и теориях, которые научили нас новым явлениям, новым законам и новым способам понимания нашей Вселенной. Но эти достижения не происходят на пустом месте. Они случаются, потому что есть необходимость придумать что-то новое, потому что наше нынешнее понимание неспособно объяснить явление или результат. Наш вопрос для этой недели «Спросите Итана» исходит от Стивена, который спрашивает:
Вы когда-нибудь писали о самом известном неудачном эксперименте, эксперименте Майкельсона-Морли? Я думаю, что это помогает объяснить Научный процесс на протяжении многих лет и положить начало всплеску исследований, которые привели к квантовой механике и специальной теории относительности.
Нет, а должен. Давайте вернемся во вторую половину 19-го века для некоторой предыстории.
Гравитация была первой из сил, которую нужно было понять, поскольку Ньютон выдвинул свой закон всемирного тяготения в 1600-х годах, объясняя как движение тел на Земле, так и в космосе. Несколько десятилетий спустя (в 1704 г.) Ньютон также выдвинул теорию света - корпускулярную теорию - в которой утверждалось, что свет состоит из частиц, что эти частицы тверды и невесомы и что они движутся прямолинейно, если что-то не вызывает их отражать, преломлять или преломлять.
Это объясняет множество наблюдаемых явлений, в том числе осознание того, что белый свет представляет собой комбинацию всех других цветов света. Но со временем многие эксперименты выявили волновую природу света, альтернативное объяснение Христиана Гюйгенса, одного из современников Ньютона.
Гюйгенс предположил вместо этого, что каждая точка, которую можно считать источником света, в том числе от световой волны, просто движущейся вперед, действует как волна со сферическим волновым фронтом, исходящим из каждой из этих точек. Хотя многие эксперименты дали бы одинаковые результаты, независимо от того, использовали ли вы подход Ньютона или подход Гюйгенса, некоторые из них, проведенные начиная с 1799 года, действительно начали показывать, насколько мощной была волновая теория.
Выделяя разные цвета света и пропуская их через одиночные щели, двойные щели или дифракционные решетки, ученые смогли наблюдать закономерности, которые могли бы быть получены только в том случае, если бы свет был волной. Действительно, узоры, созданные - с пиками и впадинами - , отражали хорошо известные волны, такие как волны на воде.
Но волны воды - как это было известно - проходили через водную среду. Убери воду, и не будет волны!
Это верно для всех известных волновых явлений: звуку, который представляет собой сжатие и разрежение, также нужна среда для распространения. Если убрать всю материю, не останется среды для распространения звука, и поэтому говорят: «В космосе никто не услышит, как ты кричишь».
Итак, рассуждения шли так: если свет - это волна, - хотя, как показал Максвелл в 1860-х годах, электромагнитная волна, - у нее тоже должна быть среда, через которую она распространяется. Хотя никто не мог измерить эту среду, ей было дано имя: светоносный эфир.
Звучит как глупая идея, не так ли? Но это была вовсе не плохая идея. На самом деле, она имела все признаки великойнаучной идеи, потому что она не только основывалась на ранее созданной науке, но и делала новые предсказания. которые можно было проверить! Позволь мне объяснить.
Представьте, что вы бросаете камень в эту бурлящую реку и наблюдаете за волнами, которые она создает. Если вы будете следовать за рябью волны по направлению к берегу, перпендикулярно направлению течения, волна будет двигаться с определенной скоростью.
Но что, если вы посмотрите, как волна движется вверх по течению? Она будет двигаться медленнее, потому что среда, через которую проходит волна, вода, движется! И если вы посмотрите, как волна движется вниз по течению, она будет двигаться быстрее, опять же, потому что среда движется.
Несмотря на то, что светоносный эфир никогда не был обнаружен или измерен, Альберт А. Майкельсон провел остроумный эксперимент, в котором тот же принцип применялся к свету.
Видите ли, хотя мы и не знали точно, как эфир был ориентирован в пространстве, каково его направление или как он течет, или что покоится по отношению к нему, предположительно - подобно Ньютоновское пространство - было абсолютным Оно существовало независимо от материи, как и должно быть, учитывая, что свет может путешествовать там, где звук не может: в вакууме.
Итак, в принципе, если вы измерили скорость, с которой двигался свет, когда Земля двигалась «вверх по течению» или «вниз по течению» (или перпендикулярно «потоку» эфира, если уж на то пошло), вы можно было не только обнаружить существование эфира, но и определить, что представляет собой остов Вселенной! К сожалению, скорость света составляет около 186 282 миль в секунду (Майкельсон знал, что это 186 350 ± 30 миль в секунду), в то время как орбитальная скорость Земли составляет всего около 18,5 миль в секунду. то, что мы не были достаточно хороши, чтобы измерить в 1880-х.
Но у Майкельсона была в рукаве хитрость.
В 1881 году Майкельсон разработал и сконструировал то, что сейчас известно как интерферометр Майкельсона, и это было просто великолепно. То, что он сделал, было построено на том факте, что свет - состоящий из волн - интерферирует сам с собой. И, в частности, если бы он взял световую волну, разделил ее на две составляющие, которые были перпендикулярны друг другу (и, следовательно, по-разному движутся по отношению к эфиру), и заставил бы два луча пройти точно одинаковые расстояния, а затем отразить их обратно к друг друга, он увидит сдвиг в генерируемой ими интерференционной картине!
Видите ли, если бы весь аппарат был неподвижен по отношению к эфиру, не было бы никакого сдвига в создаваемой ими интерференционной картине, но если бы он вообще двигался в одном направлении больше, чем в другом, вы получит смену.
Первоначальный проект Майкельсона не мог обнаружить никакого смещения, но при длине руки всего 1,2 метра его ожидаемое смещение в 0,04 полосы было чуть выше предела того, что он мог обнаружить, что составляло около 0,02 полосы.. Были также альтернативы идее о том, что эфир был чисто стационарным - например, идея, что он увлекается Землей (хотя это не могло быть полностью из-за наблюдений за тем, как работает звездная аберрация) - поэтому он провел эксперимент в несколько раз в течение дня, так как вращающаяся Земля должна быть ориентирована под разными углами по отношению к эфиру.
Нулевой результат был интересным, но не совсем убедительным. В течение последующих шести лет он разработал интерферометр в 10 раз больше (и, следовательно, в десять раз точнее) с Эдвардом Морли, и они вдвоем в 1887 году провел то, что сейчас известно как эксперимент Майкельсона-Морли. Они ожидали сдвиг полосы в течение дня до 0,4 полосы с точностью до 0,01 полосы.
Этот нулевой результат - тот факт, что не существовало светоносного эфира был на самом деле огромным достижением для современной науки, поскольку это означало, что свет должен был изначально отличаться от всех других волн, о которых мы знали. Решение пришло 18 лет спустя, когда появилась специальная теория относительности Эйнштейна. Вместе с этим мы пришли к пониманию того, что скорость света является универсальной константой во всех системах отсчета, что не существует ни абсолютного пространства, ни абсолютного времени и, наконец, что свету для путешествия не нужно ничего, кроме пространства и времени.
Эксперимент - и работа Майкельсона - были настолько революционными, что он стал единственным известным мне человеком в истории, получившим Нобелевскую премию за очень точное отсутствие открытия чего-либо!
И это (моя версия) истории о том, как неудачный эксперимент ускорил одно из величайших научных достижений в истории! Надеюсь, вам понравилась сегодняшняя рубрика «Спросите Итана», и если у вас есть вопросы или предложения по поводу следующей, присылайте их, и ваши вопросы могут появиться здесь на следующей неделе!
Есть вопрос, предложение или комментарий? Зайдите на форум Starts With A Bang в Scienceblogs и выскажите свое мнение.