Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce. Wojciech Sady
u, to środek masy eteru ciało to wypełniającego poruszałby się z prędkością w = (1 – (1/n)2)u. Rekompensowałoby to z dokładnością do wielkości rzędu vz/c ≈ 10–4 wpływ ruchu Ziemi na wyniki eksperymentu Arago. Osiągnięcie większej dokładności pomiarów nie było w tym czasie możliwe.
Trzecia grupa problemów związana była ze zjawiskiem aberracji gwiezdnej, wspomnianym w § 2.1. Można go było prosto wyjaśnić w ramach teorii m-falowej, przyjmując – i tak uczynił Fresnel – że eter wypełniający całą przestrzeń jest nieruchomy (może z wyjątkiem nadwyżki we wnętrzach ciał przezroczystych). Równało się to jednak przyjęciu „zdumiewającej hipotezy, że eter świetlny przenika swobodnie przez ściany teleskopu i przez samą Ziemię” (Stokes 1845). Musiało to budzić poważne wątpliwości, skoro Fresnelowski eter miał być czymś w rodzaju nieściśliwego ciała stałego. Christian Doppler w artykule, w którym przewidział teoretycznie efekt określany dziś jego nazwiskiem, stwierdzał w związku z tym, że teoria światła jako fal poprzecznych „jest sama w sobie wewnętrznie wielce nieprawdopodobna” (Doppler 1842, § 1).
By owej dziwaczności uniknąć, George Stokes sformułował alternatywne m-falowe wyjaśnienie aberracji, zachowując przy tym hipotezę poprzeczności fal świetlnych. Skoro planety poruszają się w eterze bez widocznych przeszkód, to trzeba przyjąć, że ma on własności cieczy lub gazu. Jednak zjawiska polaryzacji świadczą o tym, że fale świetlne są poprzeczne, takie zaś powstają tylko w ciałach stałych. Uczony, łącząc te konkluzje, stwierdzał, że eter jest nieściśliwą cieczą o dużej lepkości, tak że względem ruchów niesłychanie szybkich, takich jak drgania świetlne, zachowuje się niczym ciało stałe, ale niczym ciecz względem ruchów tysiące razy wolniejszych (1846b). Kolejny wniosek – wsparty obserwacją świeżego miodu mieszanego patykiem – był następujący:
[…] Ziemia i planety unoszą ze sobą część eteru, tak że eter bliski ich powierzchniom pozostaje względem tych powierzchni w spoczynku, natomiast jego prędkość zmienia się w miarę wzrostu odległości od powierzchni, aż, w niezbyt dużej odległości, pozostaje on w przestrzeni w spoczynku (Stokes 1845).
Aby uzyskać – z matematycznego punktu widzenia – wyjaśnienie aberracji gwiezdnej, Stokes założył, iż „[…] eter porusza się w taki sposób, że wyrażenie zapisywane zazwyczaj jako vxdx + vydy + vzdz jest różniczką zupełną” (Stokes 1848), co oznacza, że eter porusza się ruchem bezwirowym. Gdyby tak się działo, fale świetlne, docierając do Ziemi, stopniowo zmieniałyby kierunek ruchu. Stokes nie wspomniał o obserwacjach Arago z 1810, również w artykule, w którym omawiał teorię Fresnela (Stokes 1846a), niemniej jego teoria natychmiast wyjaśniała ich negatywne wyniki: fale poruszają się ze stałą prędkością względem ośrodka, a skoro otaczający Ziemię eter wędruje wraz z nią, to światło przy jej powierzchni porusza się z tą samą prędkością względem niej we wszystkich kierunkach.
2.4. Daremne próby przeprowadzenia experimentum crucis między hipotezami ad hoc
Hippolyte Fizeau w (1851) jako konkurencyjne wyjaśnienia zjawiska aberracji w ramach teorii m-falowej wymienił hipotezy Fresnela, Stokesa, Jamesa Challisa, Dopplera, wspomniał też o innych. Podzielił je na trzy grupy. Albo eter porusza się wraz z ciałami, których wnętrza wypełnia, albo pozostaje zawsze nieruchomy, albo uczestniczy w ruchu ciał częściowo.
Tę ostatnią hipotezę wysunął Fresnel, a zbudował ją po to, by w równej mierze sprostać zjawisku aberracji, jak i słynnemu eksperymentowi p. Arago, który wykazał, że ruch Ziemi nie wywiera wpływu na załamanie, jakiemu ulega światło gwiazd w pryzmacie (Fizeau 1851).
By eksperymentalnie rozstrzygnąć ten spór, Fizeau wykorzystał niezwykle dokładną, rozwiniętą wcześniej przez Arago, metodę. Badał interferencję promieni świetlnych przebywających drogę 1,5 m z prądem i pod prąd strumienia wody. Stwierdził, że w stosunku do obrazu uzyskanego, gdy woda była nieruchoma, przy szybkości strumienia 7 m/s prążki interferencyjne przesuwają się o 0,23 ich szerokości (była to wartość średnia z 19 pomiarów). Przesunięcie przewidziane na podstawie teorii Fresnela wynosiło 0,20. Dodatkowego potwierdzenia hipotezy Fresnela dostarczyły eksperymenty wykazujące, że „[…] ruch powietrza nie wytwarza żadnego dostrzegalnego przesunięcia prążków”, czego należało oczekiwać, jako że powietrze, w przeciwieństwie do wody, ma niewielki współczynnik załamania. Na koniec Fizeau podważył wiarygodność eksperymentów M. Babineta, których wyniki zdawały się przeczyć hipotezie Fresnela, po czym stwierdził:
Wydaje mi się, że z uwagi na sukces eksperymentu konieczne jest przyjęcie hipotezy Fresnela, a przynajmniej prawa, które znalazł, aby wyrazić zmianę prędkości światła pod wpływem ruchu ciała; bo chociaż uznanie tego prawa za prawdziwe może być bardzo mocnym dowodem na korzyść hipotezy, której jest tylko konsekwencją, to zapewne koncepcja Fresnela może wydawać się tak niezwykła, a pod pewnymi względami tak trudna do przyjęcia, że inne dowody i dogłębne zbadanie przez geometrów będą nadal konieczne przed uznaniem jej za wyraz rzeczywistych faktów (Fizeau 1851).
W 1859 Fizeau badał, czy zmiana azymutu płaszczyzny polaryzacji wywołana przez załamanie spolaryzowanego światła ulega modyfikacji wskutek ruchu Ziemi. Żadnego takiego związku nie stwierdził.
W 1868 Martin Hoek ogłosił artykuł o wyznaczaniu prędkości światła w ośrodku pozostającym w ruchu. Badał interferencję promieni, z których pierwszy biegł w jedną stronę w powietrzu, a w drugą przez rurę wypełnioną nieruchomą wodą, a drugi na odwrót. Gdyby wskutek ruchu Ziemi światło przy jej powierzchni rozchodziło się z prędkością c – vz w kierunku jej ruchu, a c + vz w kierunku przeciwnym, to obrót całego układu zmieniałby obraz interferencyjny. Hoek żadnej zmiany nie zauważył, co według jego obliczeń potwierdziło wartość współczynnika unoszenia eteru Fresnela z dokładnością do 1/55.
W eksperymentach Fizeau i Hoeka interferujące promienie biegły po torach do siebie równoległych. Eduard Ketteler w artykule o wpływie ruchów ciał niebieskich na zjawiska optyczne z 1872 przedstawił wyniki badań nad interferencją dwóch promieni biegnących w rurach nachylonych pod pewnym kątem. Okazały się zgodne z przewidywaniami wynikającymi z hipotezy częściowego unoszenia eteru we wnętrzach ciał przezroczystych.
Skoro kąt aberracji gwiezdnej określony jest wzorem tg α = vz/c, a prędkość światła w wodzie jest mniejsza niż w powietrzu, to gdyby eter wypełniający przestrzeń był nieruchomy, po wlaniu wody do teleskopu kąt ten by się zwiększył. Wbrew temu Stokes zauważył: „Nie ma oczywiście znaczenia, czy gwiazdę obserwuje się przez zwykły teleskop, czy też przez teleskop, którego obudowę wypełniono płynem” (1846a), co znów wyjaśniała hipoteza Fresnela. Nie wiemy, czy Stokes faktycznie obserwował gwiazdy przez teleskop napełniony wodą. Uczynił to George Airy w 1871 i stwierdził, że nie zmienia to kąta aberracji.
A jednak dziwaczność hipotezy Fresnela powodowała, że nie tylko Fizeau – mimo uzyskanych wyników – podchodził do niej z rezerwą. Podobne zastrzeżenia wyrażali Ketteler czy Wilhelm Veltmann. Ten ostatni zauważył w 1870 m.in., że skoro współczynniki załamania światła są różne dla różnych barw, to eter dla różnych barw powinien być unoszony w różnym stopniu. Jako ciekawostkę można dodać, że Veltmann rozróżniał trzy rodzaje ruchów światła: ruch względny w odniesieniu do ciał materialnych, ruch absolutny względem eteru i ruch rzeczywisty względem przestrzeni (w odniesieniu do której eter może być w ruchu).
Éleuthère Mascart na początku lat 1870. przeprowadził szereg eksperymentów, w których – używając światła pochodzącego zarówno z ciał niebieskich, jak