Дослід Майкельсона-Морлі: експеримент, що перевернув уявлення про світло та ефір

Історичний контекст та пошуки «світлоносного» ефіру

У другій половині ХІХ століття наукова спільнота була переконана в існуванні особливого середовища для поширення світла, яке називали «світлоносним ефіром». Фізики, спираючись на хвильову природу світла, вважали, що, як і звукові хвилі потребують повітря, так і світловим хвилям конче потрібне певне середовище. Згідно з роботою Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879) [3], світло є електромагнітною хвилею, тож воно мало б «коливатися» в абсолютно нерухомому та надзвичайно тонкому ефірі, який буквально пронизує увесь Всесвіт.

Ця ідея про ефір, однак, породжувала логічні питання. Якщо Земля рухається навколо Сонця зі швидкістю близько 30 км/с, то мала б відчуватися дія так званого «ефірного вітру», тобто ефір повинен був «продувати» через наш рухомий світ. Аналогічно, коли ми їдемо на великій швидкості, відчуваємо потік повітря, так і рух крізь ефір мав би впливати на швидкість світла, виміряну на Землі в різних напрямках. Тоді фізики чітко припускали, що заміри швидкості світла паралельно та перпендикулярно руху Землі неодмінно будуть відрізнятися. Це питання стало центральним для низки експериментів, і саме дослід Майкельсона-Морлі (1887) [1] поставив крапку в дискусії про класичний світлоносний ефір.

Роль у цій історії відіграли двоє науковців із США: Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931) та Едвард Вільямс Морлі (1838–1923). Майкельсон, відомий своїми вкрай точними вимірюваннями швидкості світла, прагнув перевірити гіпотезу існування ефірного вітру з максимально можливою точністю. Морлі, будучи хіміком і фізиком, долучився до цього дослідження як співробітник, який допоміг удосконалити вимірювальні прилади та методики.

Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931) та Едвард Вільямс Морлі (1838–1923)

Сутність досліду Майкельсона-Морлі та очікування від «ефірного вітру»

Основним інструментом, який використали вчені, став інтерферометр Майкельсона. Це пристрій, що дозволяє виявляти надзвичайно малі різниці в оптичних шляхах завдяки явищу інтерференції світла. Промінь світла від джерела ділиться на дві частини за допомогою напівпрозорого дзеркала: один промінь рухається вздовж одного плеча установки, а інший — уздовж перпендикулярного плеча. Обидва промені відбиваються від дзеркал і повертаються до точки розподілу, де накладаються один на одного, створюючи характерну інтерференційну картину з темними і світлими смугами.

Якщо б Земля дійсно рухалася крізь нерухомий ефір, то промінь, що прямує паралельно до цього руху, мав би витратити інший час на свій шлях «туди й назад», ніж промінь, який рухається перпендикулярно до руху. Звідси очікувався зсув інтерференційних смуг при повороті інтерферометра на 90°. До того ж, оскільки Земля змінює орієнтацію по відношенню до ефіру протягом доби та року, цей зсув мав би змінюватися у часі.

Швидкість поширення світла вздовж лінії руху Землі та перпендикулярно до лінії її руху є незмінною і дорівнює швидкості поширення світла у вакуумі

Щоб ліквідувати будь-які зовнішні коливання, Майкельсон і Морлі розмістили свою установку на важкій кам’яній плиті й поставили її на ртутну баню, аби уникнути тертя та мати змогу легко і плавно повертати інтерферометр. Вони фіксували кожен найменший зсув інтерференційних смуг. Завдяки винятковій точності методики, вони мали надію зареєструвати навіть дуже маленький ефект від ефірного вітру.

Інтерферометрична установка Майкельсона і Морлі, встановлена на кам'яній плиті, яка плаває в кільцеподібному жолобі з ртуттю

Проте, всупереч всім сподіванням, результат виявився «нульовим»: ніякого помітного зсуву смуг у різних орієнтаціях інтерферометра не спостерігалося. Це означало, що швидкість світла у цих двох перпендикулярних напрямках була однаковою, незалежно від напряму, у якому «рухається» Земля. Такий висновок суперечив загальноприйнятій теорії про нерухомий ефір.

«Нульовий» результат та його наслідки для фізичної теорії

Фізики XIX століття були переконані: якщо ефір існує, то рух крізь нього не може залишитися непоміченим. Класична фізика не пропонувала тоді жодних засобів для пояснення, чому цей ефект відсутній. Тож дослід Майкельсона-Морлі підірвав основу існуючих уявлень і став справжньою науковою сенсацією.

Утім, знайшлися вчені, які намагалися врятувати ефір, припускаючи різноманітні гіпотези. Зокрема, Гендрік Антон Лоренц (1853–1928) та Джордж Френсіс Фіцджеральд (1851–1901) запропонували ідею про скорочення довжини в напрямку руху (відому сьогодні як «Лоренц-Фіцджеральдове скорочення»). Вони вважали, що в міру збільшення швидкості системи певна деформація довжини «компенсує» ефект ефірного вітру, роблячи його непомітним для вимірювань. Хоча такі ідеї продовжували існування ефіру у «модифікованій» формі, вони водночас підводили до розуміння того, що простір та час не є незмінними, а можуть змінюватися залежно від руху.

 Гендрік Антон Лоренц (1853–1928) та Джордж Френсіс Фіцджеральд (1851–1901)

Революційне пояснення появилося 1905 року, коли Альберт Айнштайн (1879–1955) опублікував статтю, що започаткувала спеціальну теорію відносності [2]. Айнштайн показав, що не треба припускати існування ефіру: швидкість світла незмінна у будь-якій інерціальній системі відліку. Це зруйнувало уявлення про єдину «абсолютну» систему координат, у якій ефір перебував би в стані спокою, а всі інші тіла рухалися відносно нього. Замість цього з’явилося розуміння, що простір і час утворюють єдину структуру — простір-час, а енергія і маса пов’язані знаменною формулою E=mc².

Таким чином, «нульовий» результат досліду Майкельсона-Морлі став важливим експериментальним обґрунтуванням тези про відсутність ефіру. Він змусив фізиків кардинально переглянути базові засади теорії та сприяв зародженню нової парадигми, в якій немає потреби в ефірі як у спеціальному середовищі для поширення світла.

Вплив досліду Майкельсона-Морлі на подальшу науку та сучасне значення експерименту

Із розвитком спеціальної та згодом загальної теорії відносності підхід до простору і часу змінився настільки, що ідею світлоносного ефіру остаточно відкинули у первинному вигляді. У сучасній фізиці ми говоримо про поле, про квантові флуктуації, але розглядаємо їх як властивості простору-часу, а не як окреме матеріальне середовище, крізь яке рухається Земля.

Надзвичайно точний вимір швидкості світла (який врешті-решт призвів до прийняття м/с як фундаментальної сталої) мав би стати підставою для визначення одиниць довжини та часу. Альберт Абрахам Майкельсон, за оптичні дослідження та внесок у вимірювання швидкості світла, у 1907 році отримав Нобелівську премію з фізики — він став першим американцем, удостоєним цієї честі [5].

У сучасній науці принцип інваріантності швидкості світла перевіряється з дедалі вищою точністю завдяки експериментам на прискорювачах елементарних частинок, космічним місіям та прецизійним оптичним годинникам. Крім того, розроблені нові варіанти інтерферометрів (зокрема, інтерферометрією користуються у проєкті LIGO для виявлення гравітаційних хвиль), які перегукуються з тим історичним винаходом Майкельсона.

Дослід Майкельсона-Морлі, який спершу сприймався як «невдача» (адже експериментатори не зафіксували очікуваного ефекту), у підсумку став визначним переломним моментом у всій фізиці. Він яскраво продемонстрував цінність експерименту у разі, коли теорія впевнено пророкує один результат, а практика показує щось геть протилежне. Історія цього експерименту — нагадування про те, що спостереження, які не збігаються з усталеними уявленнями, можуть бути поштовхом для народження великих відкриттів і докорінно нових теорій.

Джерела:

1. Майкельсон А. А., Морлі Е. В. (1887). On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether. American Journal of Science, Vol. 34, 333–345.

2. Einstein, A. (1905). Zur Elektrodynamik bewegter Körper. Annalen der Physik, 322(10), 891–921.

3. Maxwell, J. C. (1864). A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 155, 459–512.

4. Holton, G. (1969). The Michelson-Morley Experiment and the Light Quantum. American Journal of Physics, 37, 968–986.

5. NobelPrize.org (1907). The Nobel Prize in Physics 1907. Nobel Media AB.