მაიკლსონ-მორლის ექსპერიმენტი: არაპირდაპირი ეთერი

იყო ეთერი, უფრო სწორად, ფიქრობდნენ, რომ იყო. ალქიმიკოსებს იგი ფილოსოფიური ქვის გასაღებად მიაჩნდათ, არისტოტელე მას მეხუთე ელემენტად აღიქვამდა, მეცნიერები კი ფიქრობდნენ, რომ  ეთერი ერთგვარი მედიუმი, ნივთიერება იყო, რომელიც სივრცეს ავსებდა და რომელშიც სინათლე ვრცელდებოდა. მოკლედ, ეთერი სინათლის თარეშში ერთვების, ისევე, როგორც ჰაერი – ბგერის გარემოში გავრცელებისას.

მე-19 საუკუნეში ეთერის შესახებ  არაერთი ჰიპოთეზა არსებობდა. ყველა, ვისაც მეცნიერებაში სიტყვა ეთქმოდა, ფიქრობდა, რომ იგი არსებობდა, თუმცა, ამისდა მიუხედავად, არ მოიპოვებოდა მისი ჭეშმარიტების ცხადი საბუთი. მარტივად შესანიშნი იყო ისიც, რომ ეთერის ფიზიკური თვისებები საკმაოდ პრობლემატური და საიდუმლოებით მოცული იყო: იმისათვის, რომ შესაძლებელი ყოფილიყო სინათლის მაღალი სიხშირის რხევების გადატანა, ის  ძალიან მყარი უნდა ყოფილიყო. ამავდროულად, დაკვირვებების მიხედვით, მას, ფაქტობრივად, არავითარი გავლენა არ ჰქონია მზის გარშემო პლანეტების მოძრაობაზე. ამასთან, დედამიწის შემთხვევაში, არც ერთი გარემოება არ ითვალისწინებდა იმას, რომ იგი გაუხშოებული უნდა ყოფილიყო და რაც ყველაზე მეტად საგულისხმოა, ქიმიურად ყოვლად გამოუმჟღავნებელი.

რაც უფრო ვითარდებოდა საბუნებისმეტყველო მეცნიერებები, მით უფრო მოითხოვდა იგი, დადასტურებულიყო ეთერის რაობა და, უპირველესად, მისი არსებობა. აქედან გამომდინარე, ამ პერიოდის მრავალმა მეცნიერმა თავისი სიცოცხლე ამ ფაქტის დადასტურებას მიუძღვნა. მათ შორის იყო  გერმანული წარმოშობის ფიზიკოსი – ალბერტ აბრაამ მაიკლსონიც. მან არაერთი ექსპერიმენტი ჩაატარა, 1811 წელს კი შეძლო, იმ დროისთვის საკვირველად მცირე – 0.02%-იანი ცდომილებით დაედგინა სინათლის სიჩქარე (28 წლის ასაკში!!!) თუმცაღა, ეთერის არსებობის დასტურის ძიება კვლავ გრძელდებოდა და, აი, ოჰაიოში 1887 წლის ერთ მშვენიერ დღეს, დიდი ენთუზიაზმით შეპყრობილი ალბერტ მაიკლსონი და  ედვარდ მორლი გადაწყვეტენ, დიდი ხნის განმავლობაში შეკოწიწებული ექსპერიმენტის იდეას ნათელი მოჰფინონ, თუმცა ამ დროს მათ ჯერ კიდევ არ იციან, რომ სრულიად სხვა სინათლეს იპოვნიან, ათასწლეულებით დაკარგულსა და სიცრუედ დაჩემებულს. მეტიც, ისინი სამყაროს ერთ-ერთ ფუნდამენტურ მუდმივას მიაგნებენ, რომელიც შემდგომში უდიდესი სამეცნიერო რევოლუციის საწინდარი გახდება.  

ექსპერიმენტში გადამწტყვეტი როლი მაიკლსონის  მიერ 1887 წელს შექმნილ ინტერფერომეტრს (სინათლის მიმართ მგრძნობიარე ოპტიკური მოწყობილობა, რომელიც ერთმანეთის მართობულად მოძრავი სინათლის სხივების ტრაექტორიების სიგრძეს ადარებს) ჰქონდა.

მაიკლსონ-მორლის მოდელი, ფაქტობრივად, დაიყვანება მარტივ მექანიკის ამოცანაზე – მდინარის ერთი ნაპირიდან მეორეზე გადასვლა და უკან დაბრუნება. მაიკლსონი არასამეცნიერო საზოგადოებას თავისი ექსპრიმენტის არსს სწორედ ასე უხსნიდა:

წარმოვიდგინოთ, რომ გვაქვს მდინარე, რომლის სიგანეც არის \( w\). ორი მოცურავე ერთნაირი \( c\) სიჩქარით მოძრაობს. მდინარე მიედინება მუდმივი \(v\) (\(v < c\)) სიჩქარით. მოცურავეები თავიდან  ერთ წერტილში დგანან. პირველი მათგანი მდინარის ნაპირს პარალელურად მიუყვება დინების საწინააღმდეგოდ ზუსტად მდინარის სიგანის ტოლი \(w\) მანძილით და შემდეგ დაუბრუნდება საწყის წერტილს, ხოლო მეორე მდინარეს ნაპირის მართობულად კვეთს, ისე, რომ მეორე ნაპირის უახლოეს წერტილში აღმოჩნდეს და უკან ბრუნდება.
(კითხვის გაგრძელებამდე, შეეცადეთ, თქვენით ამოხსნათ)

პირველი მოცურავე (ქვედა) მდინარის ნაპირს აუყვება-ჩაუყვება, ხოლო მეორე – გადაკვეთს და გამდოკვეთს მას ნაპირის და ნაკადის მართობულად. ნახაზზე გამრუდებული ტრაექტორიები ვიზუალური აღქმისთვისაა – პირობითია.

მაიკლსონის იდეაც სწორედ ეს იყო – ,,შეჯიბრი’’ სინათლის სხივისათვის. ამ შემთხვევაში მდინარის როლს ეთერის ქარი ასრულებს. ექსპერიმენტის სქემა შემდეგნაირია: სინათლის სხივი 45 გრადუსით მიმართულია ნახევრად გამჭვირვალე სარკის მიმართ, ისე, რომ მისმა ნაწილმა შუშაში გავლა შეძლოს, ნაწილი კი აირეკლოს. ეს ორი სხვადასხვა მიმართულებით განაწილებული სინათლე ჩვენი მოცურავეები არიან. თითოეული მათგანი მიაღწევს რა შორეულ სარკეს, ისინი აირეკლებიან და დაუბრუნდებიან  ნახევრად ვერცხლის სარკეს. ამ დროს მათი ნახევარი კვლავ აირეკლება, მეორე ნახევარი კი საწყისი მიმართულებით განაგრძობს მოძრაობას. ტელესკოპი მოთავსებულია მინის უკან, ისე, რომ კონის ნახევარი ამ ტელესკოპთან მივიდეს. თუ ეთერის ქარი მართლაც ,,მიედინება’’, ტელესკოპთან მდგომმა დამკვირვებელმა უნდა დააფიქსიროს სხივების მისვლის დროებს შორის სხვაობა.

მაიკლსონის ინტერფერომეტრის სკეჩი

სინათლის სიჩქარე ეთერის მიმართ აღვნიშნოთ \(c\)-თი, ეთერის სიჩქარე – \(v\)-თი. დავუბრუნდეთ მდინარის ამოცანას ლაბორატორიულ სისტემაში. იმისათვის, რომ პირველმა მოცურავემ \( w\) მანძილი დაფაროს, მას დასჭირდება \( t_{საწინააღმდეგოდ}= \frac{w}{c-v}\) წამი (რადგან მოცურავე მდინარის დინების საპირისპირო მიმართულებით ,,მიცურავს’’), ხოლო უკან დასაბრუნებლად – \( t_{მიმართულებით}= \frac{w}{c+v}\) წამი (ამ შემთხვევაში მდინარე ეხმარება მოცურავეს). მთელი დრო, რომელიც მეორე მოცურავეს დასჭირდება, შესაბამისად, იქნება:

\(t_{სრული_1}= t_{საწინააღმდეგოდ}+t_{მიმართულებით}= \frac{w}{(c-v)}+\frac{w}{(c+v)}= \frac{2wc}{(c^2-v^2)} \)

\(t_{სრული_1}=\frac{2w}{c} \frac{1} {1-\frac{v^2}{c^2}}\)

ვინაიდან დაკვირვებებით ეთერს არავითარი გავლენა არ ჰქონდა პლანეტების მოძრაობაზე, შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ მისი სიჩქარე სინათლესთან შედარებით მცირეა. ანუ \(\frac{v^2}{c^2} \ll 1\) (გაცილებით ნაკლებია ერთზე). თუ \(x\) ძალიან მცირეა 1-თან შედარებით, მაშინ \(\frac{1}{1-x} \approx 1+x\)-ს [1]. ამის გათვალისწინებით მივიღებთ, რომ პირველი მოცურავის ცურვის  მთლიანი დრო არის: 

\(t_{სრული_1} \approx \frac{2w}{c}\left (1 + \frac{v^2}{c^2}\right) \)

რაც შეეხება მეორე მოცურავეს, შეგვიძლია, მისი დრო გამოვთვალოთ მართკუთხა სამკუთხედის გამოყენებით: ჰიპოტენუზა იყოს მისი სიჩქარე – \(c\), მცირე კათეტი – ეთერის ქარის სიჩქარე – \(v\), ხოლო მეორე კათეტი, რომელიც ლაბორატორიული სისტემის მიმართ მის სიჩქარეს შეესაბამება, იქნება \(\sqrt[]{(c^2-v^2)}\). შედეგად, მეორე ნაპირზე გადასასვლელად მას დასჭირდება \(t_{გაღმა} = \frac{w}{\sqrt[]{c^2-v^2}}\) წამი. რადგან უკან, გამოღმა გადმოცურვის შემთხვევა ანალოგიურია, \(t_{გამოღმა} = t_{გაღმა}\).

სკეჩი მეორე მოცურავისთვის

ისევ, ბერნულის მიახლოების გამოყენებით \(\left(\frac{1}{\sqrt[]{1-x}} \approx 1+ \frac{1}{2} x\right)\), მისი მთლიანი დრო იქნება:

\(t_{სრული_2} = t_{გაღმა} + t_{გამოღმა} = \frac{2w}{c} \frac{1} {\sqrt[]{1 – \frac{v^2}{c^2}}} \)

რადგან \(v\ll c\), დრო, რომელიც მდინარის მართობულად გადაცურვა-გადმოცურვას დასჭირდება, იქნება:

\(t_{სრული_2} \approx \frac{2w}{c}\left(1 + \frac{1}{2}\frac{v^2}{c^2}\right)\),

თუ დავაკვირდებით ორივე ,,მოცურავის’’ დროებს, შევამჩნევთ:

\(t_{სრული_1} – t_{სრული_2} = \frac{2w}{c}\left(1 + \frac{v^2}{c^2}-1-\frac{1}{2}\frac{v^2}{c^2} \right) = \frac{w}{c} \frac{v^2}{c^2}\).

ისინი \(\frac{w}{c}\frac{v^2}{c^2}\)-ით განსხვავდებიან. პირველი წევრი ის დროა, რომელიც სინათლეს  ეთერის გარეშე დასჭირდებოდა მდინარის მეორე მხარეს აღმოსაჩენად, ვთქვათ, წამის მემილიონედი. თუ ეთერის ქარის სიჩქარეს დედამიწის ორბიტული სიჩქარის ტოლად ჩავთვლით(ანუ \(\frac{v}{c}=\frac{1}{10000}\)), მაშინ \(\frac{v^2}{c^2}=\frac{1}{100,000,000}\). ეს გულისხმობს, რომ დაგვიანებული დრო ორ სხივს შორის იმდენად მცირეა, რომ დამკვირვებლისთვის მისი დაფიქსირება  შეუძლებელი იქნება. თუმცა, მაიკლსონმა გამოსავალი იპოვა სინათლის ტალღების ინტერფერაციული თვისებების გამოყენებით. იმის მაგივრად, რომ მას სინათლის სხივები გაეგზავნა, ფიზიკოსმა მონოქრომატული (ერთი ფერის) სხივი გაუშვა. ტალღების ნაკადი ორ ნაწილად იყოფა და აირეკლება, მსგავსად ჩვენი მოცურავეებისა. საბოლოოდ, ისინი ტელესკოპთან გაერთიანდებიან. თუ ერთ-ერთი მათგანი მეორეს ნახევარი ტალღის სიგრძით ჩამორჩება, მაშინ ისინი ერთმანეთს გააქრობენ და არაფერიც არ გამოჩნდება. თუ ჩამორჩენა ამაზე ნაკლებია, მაშინ მკრთალი გამოსახულება გვექნება. ვინაიდან ეს შეიძლება სარკეთა მდებარეობების მცირე ცდომილებისდა გამო ხდებოდეს, მაიკლსონმა აპარატის ამოძრავება გადაწყვიტა.

მაიკლსონის და მორლის დანადგარი მაიკლსონ-მორლითურთ (ზემოთ-ქვემოთ)

აპარატის 90 გრადუსით დატრიალებით, სხივები ერთმანეთს ადგილს შეუცვლიან.  აქედან გამომდინარე, თუ ეთერი არსებობს, დამკვირვებლმა მოძრავ აპარატში უნდა დაინახოს ცვლილება შემოსული სინათლის ინტენსივობებს შორის.  დროის სხვაობების დასადგენად, მაიკლსომა და მორლიმ სხივები წინ და უკან რამდენჯერმე არეკლეს. ექსპერიმენტის შედეგად, დადგინდა, რომ ეთერის სიჩქარე სულ რაღაც 1.6-3.2კმ/წმ რომ ყოფილიყო, მაშინ მისი სიჩქარე დედამიწის ორბიტალურ სიჩქარესთან შედარებითობით საკმაოდ მარტივი დასანახი იქნებოდა. თუმცა, სინათლის სხივების ინტენსივობებს შორის სხვაობა საერთოდაც არ დაფიქსირებულა. მაიკლსონმა ისიც დაუშვა, რომ ეთერის ქარი შეიძლება დედამიწის სიახლოვეს სხვაგვარად მოქმედებდა. ამის გამო მან შემდეგი ცდა კალიფორნიის მაღალ მთებში ჩაატარა, თუმცა ამჯერადაც იგივე შედეგი მიიღო. ერთადერთი ლოგიკური დასკვნა ის იყო, რომ ეთერის მთლიანი არსი თავიდანვე მცდარი იყო. ცდებმა ცხადად დაადასტურა, რომ ეთერი არ არსებობს, ან თუ არსებობს, მას არავითარი გავლენა არ აქვს სინათლის ტალღის გავრცელებაზე. ასე იქმნა ნათელი და სინათლის სიჩქარის სახით სამყაროს ფუნდამენტური მუდმივაც გამოაშკარავდა.

ის, რაც დღესდღეობით ფიზიკაში ყველაზე ცნობილ გაბათილებულ ექსპერიმენტულ შედეგად მიიჩნევა, სათავისოდ გამოიყენა ალბერტ აინშტაინმა ფარდობითობის სპეციალური თეორიის ჩამოყალიბებისას, რომელიც მოიაზრებდა, რომ სინათლის სიჩქარე მუდმივია ნებისმიერი ათვლის სისტემის მიმართ, ე.ი. გაზომილი სინათლის სიჩქარე დამოუკიდებელია დამკვირვებლისა და სინათლის წყაროს ფარდობითი მოძრაობისგან.

ჰიპოთეტური ეთერი საბოლოოდ უარყვეს. აინშტაინის ცნობილი ნაშრომის გამოქვეყნების შემდგომ სინათლის სიჩქარე ბუნების ფუნდამენტურ მუდმივად აღიარეს. რაც შეეხება მის რიცხვით მნიშვნელობას, საკმაოდ დიდი ხნის განმავლობაში მაიკლსონის შედეგი რეკორდული რჩებოდა. მისი “ჩანაცვლება” მხოლოდ 1983 წელს მოხერხდა და სინათლის სიჩქარე განისაზღვრა 299,792,458მ/წმ-ით.

მორალი

მიუხედავად იმისა, რომ მაიკლსონ-მარლის ექსპერიმენტის კონკრეტული შედეგი – ეთერის როლის განსაზღვრა, საკმაოდ საინტერესო და  სამყაროს არსებობის ისტორიაში ერთ-ერთი უმნიშნელოვანესი რამ იყო, არანკლებ საგულისხმოა ის, რაც მან, ზოგადად, სამეცნიერო სამყაროს ასწავლა: 

ის, რაც საუკუნეების განმავლობაში ჭეშმარიტებად მიიჩნევა, აუცილებლად მართალი არ არის, შესაბამისად, ზოგჯერ აუცილებელია  ეჭვი შევიტანოთ იმაში, რაც გვგონია, რომ ვიცით. 

და ბოლოს, ეთერი მხოლოდ აბესალომთან არსებობს!


[1] მიახლოება ცნობილია როგორც “ბერნულის ფორმულა”, რომელიც წარმოადგენს ტეილორის გაშლას მხოლოდ წრფივი წევრების გათვალისწინებით: \((1 + x)^\alpha = 1 + \alpha x + O(x^2) \approx 1 + \alpha x\)

http://galileoandeinstein.physics.virginia.edu/lectures/michelson.html
https://www.britannica.com/science/Michelson-Morley-experiment
https://gfycat.com/homelymilkyblobfish
https://www.britannica.com/video/179683/Scientists-speed-of-light

ნინო ქერდიყოშვილი

კომენტარის დატოვება

თქვენი ელფოსტის მისამართი გამოქვეყნებული არ იყო. აუცილებელი ველები მონიშნულია *

Back to top