18-2 Éterický vietor?

18-2 Éterický vietor?

K rozhodujúcej skúške hypotézy o existencii éteru došlo na konci 19-ho storočia, a dokonale rozvrátila naše predstavy o vlastnostiach elektromagnetického poľa, ktoré sme dovtedy mali.

Ak je pravda, že svetlo sa šíri v huspeninovitej hmote vypĺňajúcej celý vesmír, potom máme možnosť, aby sme merali náš vlastný pohyb vo vesmíre, a to takým spôsobom, že zmeriame ako účinkuje tento pohyb na rýchlosť svetla. Nakoľko Zem obieha okolo Slnka rýchlosťou 30 km/s, musíme registrovať nejaký „éterický vietor“ pri pohybe v ňom podobne, ako aj motocyklistovi vanie pri rýchlej jazde do tváre silný „vzdušný vietor“. Pokiaľ by sa svetlo šírilo v smere éterického vetra, muselo by sa šíriť rýchlejšie, veď pohyb prostredia napomáha jeho šíreniu; pokiaľ by sa ale šírilo proti vetru, muselo by sa šíriť pomalšie. Americký fyzik A.A. Michelson² realizoval experiment, pomocou ktorého chcel zmerať, ako pôsobí pohyb Zeme na rýchlosť

svetla. Než merať rýchlosť svetla v opačných smeroch, Michelson považoval za účelnejšie porovnať rýchlosť svetla v dvoch na seba kolmých smeroch. Aby sme pochopili podstatu Michelsonovho experimentu, predstavme si, že na nejakej rieke premáva parník medzi dvomi mestami ležiacimi na brehu rieky vo vzdialenosti 300 km od seba. Ak sa parník plaví dole riekou, jeho pohyb je rýchlejší, lebo napomáha mu tok rieky; ak sa plaví hore prúdom, jeho pohyb je pomalší, lebo tok rieky mu bráni v plavbe. Vyrovná časový zisk plavby v jednom smere časovú stratu v opačnom smere? V prvom okamihu si myslíme, že áno, ale to sa mýlime. Pre zjednodušenie výpočtov predpokladajme, že rýchlosť parníku po stojatej vode je 30 km/h a nech rýchlosť, ktorou tečie spomínaná rieka je 3 km/h. Nech pri plavbe v oboch smeroch pracujú motory lode rovnako; takto jeho rýchlosť voči brehu pri plavbe proti prúdu je 27 km/h a pri plavbe po prúde 33 km/h. Čas potrebný k jednej plavbe tam a späť je

300 km 27 km/h + 300 km 33 km/h = 11,11 + 9,09 = 20,20 h,

teda o 1 % viac, než by bol čas potrebný po stojatej vode. Čas plavby tam a späť je o to dlhší, o čo je rýchlosť toku rieky bližšie k rýchlosti parníku.

Pokiaľ tieto rýchlosti sa rovnajú, parník sa nikdy nevráti do mesta, ktorý leží vyššie po prúde.

Preskúmajme úlohu v podobe, keď parník sa plaví naprieč riekou (obrázok 18.1). Ako sa musí plaviť, ak východiskový a cieľový bod jeho plavby sú dva protiľahlé body brehu, body A a C? Je zrejmé, že pri plavbe naprieč, sa musí plaviť mierne smerom hore, aby vyvážil tok rieky. Kým loď sa plavila vzhľadom k rieke po trase AB, voda prešla dráhu BC smerom dole. Podľa Pythagorovej vety v pravouhlom trojuholníku △ABC platí

|AB|2 = |BC|2 + |AC|2.

Vynásobme |BC| dĺžkou |AB|, a s touto dĺžkou aj predeľme (jedná sa len o formálnu úpravu, aby sme obdržali výraz, ktorý viac vyhovuje našim cieľom)

|BC| = |BC||AB| |AB| = |AB||BC| |AB| .

Je zrejmé, že |BC|∕|AB| je pomer rýchlosti toku rieky vr k rýchlosti lode vl (vzhľadom k pohybujúcej sa vode), a preto

|BC| = |AB|vr vl ,

a Pythagorova veta sa dá zapísať potom takto

|AB)|2 = |AB|2vr2 vl2 + |AC|2 |AB|2 1 −vr vl 2 = |AC|2.

Nakoľko pomer rýchlostí sme zvolili 1∕10, potom

|AB| = |AC| 1 − 0, 01 = 1,005|AC|.

Keďže rovnaký výsledok dostaneme aj pre cestu späť, môžeme povedať, že doba plavby lode premávajúcej medzi dvomi brehmi vzrastie v dôsledku toku rieky o 0,5 %. Pohyb naprieč riekou prináša tiež oneskorenie, ale toto oneskorenie (predĺženie doby plavby) je polovičné, ako pri plavbe po prúde a späť (hore-dole).

Ak teraz rieku nahradíme „éterickým vetrom“, a loď nahradíme svetelnými vlnami, získame princíp Michelsonovho experimentu. Svetelný lúč

zo zdroja F dopadá na sklenenú doštičku P, ktorá je potiahnutá tenkou, polopriepustnou striebornou vrstvou. Tá odráža polovičku svetla v smere zrkadla T1 a druhú polovičku zase prepúšťa v smere zrkadla T2. Lúče odrazené od zrkadiel znova dopadajú na sklenenú doštičku P. Polovička prvého lúča prechádza doštičkou v smere ďalekohľadu T; polovička druhého lúča sa odrazom dostáva tiež do ďalekohľadu T, k pozorovateľovi. Dvojica lúčov prichádzajúca do ďalekohľadu má rovnakú intenzitu a v jeho zornom poli vytvárajú dobre vykreslený, čistý interferenčný obraz.

Dá sa očakávať, že za prítomnosti éterického vetra bude situácia mierne iná. Ak zariadenie umiestnime tak, aby priamka PT2 bola zhodná so smerom éterického vetra (alebo jeho zložkou vo vodorovnej rovine), potom v tomto smere postupujúce svetelné vlny budú v rovnakej situácii, ako loď plávajúca po rieke hore-dole, kým svetlo pohybujúce sa po priamke PT1 bude zodpovedať lodi plávajúcej riekou naprieč. Nakoľko meškanie v týchto dvoch smeroch nie je rovnaké, svetelné lúče nedorazia do ďalekohľadu súčasne a v miere časového rozdielu budú interferenčné pruhy posunuté. Obežná rýchlosť Zeme je v = 30 km/s, rýchlosť svetla je c = 300000 km/s a pomer týchto hodnôt je podstatne nižší, než v našom predchádzajúcom prípade pomer rýchlosti toku rieky a rýchlosti parníku. Tým istým výpočtom dostaneme, že oneskorenie medzi dvomi svetelnými lúčmi, s ktorým dorazia do ďalekohľadu, bude 5 × 10−9 násobkom celkovej doby letu lúčov v aparatúre.

Aparatúra Michelsonovho experimentu bola v skutočnosti o niečo komplikovanejšia, než to ukazuje obrázok 18.2. Svetelné lúče medzi P a T1, ako aj medzi P a T2 boli mnohonásobne odrážané pomocnými zrkadlami tak, že celková dráha svetelného lúča merala 10 metrov tam a 10 metrov zase späť, teda 20 metrov tam a späť. Svetelný lúč sa zdržiaval v aparatúre

d c = 20 m 3 × 108 m/s = 0,7 × 10−7 s = 7 × 10−8 s.

Michelson (a jeho spolupracovník E.W.Morley) mohol očakávať pri porovnaní dôb letu lúčov časový rozdiel (7 × 10−8 s)(5 × 10−9) = 35 × 10−17 s, kde druhý člen v súčine je ten násobok, čo sme vypočítali vyššie. v každodennom živote je táto doba mimoriadne krátka, z hľadiska svetelných vĺn je však prijateľne dlhou. Skutočne, za túto dobu prebehne svetlo vzdialenosť
(35 × 10−17 s)(3 × 108 m/s) = 10−5 cm, teda 20 % vlnovej dĺžky viditeľného svetla.

Ak aparatúru pootočíme o 90°, T1 a T2 si vymenia úlohy, a to isté omeškanie môžeme očakávať v opačnom smere, čím rozdiel medzi lúčmi by urobil rozdiel 40 % vlnovej dĺžky, čo by v ďalekohľade vyvolal dobre badateľný posun interferenčných čiar.

Na veľké prekvapenie Michelsona aj celého vedeckého sveta (alebo aspoň sveta fyzikov a astronómov) však žiadny posun sa nedal namerať! Ako je to možné? Niektorí sa preto domnievali, že hmota Zeme unáša sebou éter, a preto v blízkosti povrchu je éterický vietor podstatne menší. G.F. Fitzgerald (1851-1901), anglický fyzik, sa pokúsil zase negatívny výsledok Michelsonovho pokusu vysvetliť tým, že predpokladal: každé teleso pohybujúce sa v étere sa v smere svojho pohybu skracuje – v závislosti od rýchlosti. H.A. Lorentz doplnil Fitzgeraldovo vysvetlenie tým, že skrátenie telies vysvetlil zmenou elektrických a magnetických síl pôsobiacich medzi atómami telesa pohybujúceho sa v étere. V dôsledku tejto Fitzgeraldovej-Lorentzovej kontrakcie sa skráti v smere pohybu aj okrúhly stôl, na ktorý Michelson namontovala zrkadlá aparatúry – z kruhu sa stáva elipsa, ktorej kratšia os ukazuje v smere pohybu Zeme. Tým sa skráti vzdialenosť, ktorú svetelný lúč musí prebehnúť „proti vetru“ a „po vetru“, čo spôsobuje, že do ďalekohľadu dorazí lúč presne v tom okamihu, ako druhý lúč, prechádzajúci éterickým vetrom naprieč. Iní sa pokúsili neúspech Michelsonovho-Morleyho experimentu vysvetliť relatívnym pohybom „éterického mora“ a aparatúry, ale tieto snahy neboli korunované úspechom.

Vo svojej podstate dôvodom toho, že Michelsonov experiment nedokázal preukázať pohyb Zeme voči éteru, bolo to isté, kvôli čomu terajšie fyzikálne teórie nevedeli vysvetliť ani mechanické vlastnosti éteru. Bolo naprosto nelogické priradiť éteru vlastnosti bežných materiálov, ako napríklad pružnosť, či stlačiteľnosť. Veď týmito predpokladmi by sme predpokladali aj to, že éter má zrnitú štruktúru pozostávajúcu z nejakých „subatomárnych častíc“. Pokiaľ však, na druhú stranu, budeme predpokladať, že éter nemá vnútornú štruktúru, že je absolútne homogénnou hmotou, potom je naprosto nelogické hovoriť o pohybe éteru, alebo pohybe telies voči éteru. Veď ak pozorujeme napríklad otáčajúci sa kotúč, vidíme ho otáčať sa jedine vtedy, ak na jeho povrchu je nejaký malý znak, vryp, alebo zub na jeho obvode, ktorého pohyb môžeme pozorovať. Ak je povrch kotúča dokonale hladký, do našich očí neprichádza žiadny signál, a nedokážeme posúdiť, či sa kotúč točí, alebo nie. Povedali by sme však, že môžeme sa dotknúť jeho povrchu, a potom sme schopní povedať, či je v pokoji, alebo jeho povrch kĺza pod našimi prstami. Tiež by sme mohli povedať, že pokiaľ sa bude kotúč točiť dostatočne rýchlo, budeme cítiť aj to teplo, ktoré sa vytvára v dôsledku trenia medzi povrchom kotúča a našimi prstami. Tento jav, ktorý nás informuje o točení sa kotúča prostredníctvom trenia, je však molekulárnym javom, ktorý v „dokonale homogénnej“ látke vôbec nejestvuje. Naša predstava teda zlyháva.

Ak problém prešetríme trošku podrobnejšie, môžeme sa ľahko presvedčiť o tom, že je nezmyselné hovoriť o pohybe spojitého prostredia, alebo hovoriť o pohybe voči tomuto prostrediu – také niečo sa dá povedať jedine o prostredí, ktoré sa skladá z jednotlivých diskrétnych častíc. Ak zoberieme napríklad dlhý pás (obrázok 18.3) z absolútne spojitého materiálu, a pozorujeme vlny bežiace pozdĺž neho, nemá zmysel pýtať sa, či sa šíri pravidelné pružné vlnenie po stojatom páse (a), alebo sa posúva pás (vystrihnutý zo zvlneného materiálu), ako teleso zľava doprava (b).

Alber Einstein (1879-1955) počas svojho pôsobenia na Patentovom úrade v Zürichu, skúmajúc nezdar Michelsonovho experimentu v roku 1905 – popri čom objavil olejovú vývevu nového typu – podal na všetky druhy pohybu v éteru podstatne radikálnejšie vysvetlenie, než jeho súčasníci. Namiesto toho, aby sa pokúsil zmierniť hromadiace sa protirečenia súvisiace s pojmom éteru, vymýšľaním rôznych záplat na ich zmiernenie, vrátil sa k pojmu pred éterom, k pojmu prázdneho priestoru.

Zahodiac pojem éteru – ako univerzálneho prostredia prenikajúceho všetko – Einstein pripísal vlastnosť samostatnej fyzikálnej reality elektromagnetickému poľu. Inými slovami: kým predtým elektromagnetická vlna sa chápala, ako proces vo fyzikálnom objekte nazvaný éter, Einstein povedal, že fyzikálnym objektom je samotné elektromagnetické pole a éter nie je potrebný, neexistuje. Podľa starého chápania pole (obklopujúce magnet alebo elektrický náboj) nebolo ničím iným, než deformáciou a napätím prostredia (éteru) rozprestierajúceho sa rovnomerne v každom smere (obrázok 18.4a). Teraz však musíme nazerať na tieto polia obklopujúce magnety a elektrické náboje, ako na fyzikálnu realitu, ktoré sa vo veľkých vzdialenostiach od svojho zdroja oslabujú až na nulové hodnoty (obrázok 18.4b).

Obdobne, kým predtým sme hľadeli na svetelné vlny ako na deformáciu, ktorá sa šíri v tomto všetko prenikajúcom hypotetickom prostredí (obrázok 18.4c), teraz ho chápeme ako kúsok elektromagnetického poľa letiace voľne v prázdnom priestore. (obrázok 18.4d).