Struktura rewolucji relatywistycznej i kwantowej w fizyce. Wojciech Sady
przez ziemskie źródło lub przez Słońce, że zjawiska te nie dostarczają żadnych środków pozwalających mierzyć absolutny ruch ciała, oraz że ruchy względne są jedynymi, które możemy wyznaczać (Mascart 1874).
Wszystkie eksperymenty wspomniane do tej pory pozwalały stwierdzić, że jeśli ruch Ziemi wpływa na przebieg zjawisk optycznych, to w stopniu mniejszym niż vz/c. Wreszcie Albert A. Michelson – wysłany ze Stanów Zjednoczonych na studia do Berlina – przeprowadził w 1881 eksperyment pozwalający wykryć efekty rzędu vz2/c2. Przedmiotem jego badań była interferencja promieni świetlnych poruszających się w powietrzu. W takim przypadku teoria Fresnela kazała przyjąć – skoro współczynnik załamania światła przez powietrze jest bardzo mały – że eter jest niemal nieruchomy. Jeden z promieni biegł równolegle, a drugi prostopadle do kierunku ruchu orbitalnego Ziemi. Po zanotowaniu położenia prążków interferencyjnych Michelson obracał aparaturę o 90º. Obliczając spodziewane według teorii Fresnela przesunięcie prążków interferencyjnych wywołane obrotem urządzenia, popełnił poważny błąd, przyjmując, że ruch Ziemi nie zmienia drogi promienia prostopadłego do kierunku jej ruchu – i otrzymał wartość 0,04 szerokości prążka. Eksperymentalnie stwierdził, że jeśli obraz interferencyjny ulega przesunięciu, to raz o 0,004, innym razem o 0,015 tej szerokości, niekiedy zaś nie obserwował żadnych zmian. Wspomniane niezerowe przesunięcia mieściły się w granicach spodziewanych błędów pomiarowych, związanych ze zmianami temperatury i drganiami interferometru. A zatem:
Te wyniki świadczą o tym, że nie występuje przesunięcie prążków interferencyjnych. Wykazano zatem, że konsekwencja hipotezy stacjonarnego eteru jest nieprawidłowa, a stąd konieczny wniosek, iż ta hipoteza jest błędna (Michelson 1881).
Artykuł kończy cytat ze (Stokes 1846a). Wprawdzie Michelson wyraźnie się po stronie teorii Stokesa nie opowiedział, jednak sam cytat wskazuje na to, że z nią sympatyzował.
Początkowo artykuł Michelsona nie wzbudził odzewu, a on sam zaraz po jego publikacji zmienił problematykę badawczą. Gdy Alfred Potier wskazał mu na wspomniany wyżej błąd obliczeniowy, nie przesłał sprostowania.
Hendrik A. Lorentz w (1886) zauważył, że popełniając błąd obliczeniowy, Michelson zawyżył oczekiwany efekt. Z drugiej strony Lorentz wykazał, że teoretyczne założenia, jakie przyjął Stokes, były sprzeczne: zgodnie z prawami mechaniki eter nie mógłby poruszać się bezwirowo. Holenderski fizyk nie wykluczył natomiast, że eter przylegający do Ziemi porusza się z prędkością równą połowie prędkości jej ruchu – co by wystarczyło, aby poprawnie obliczone przesunięcie prążków interferencyjnych w eksperymencie Michelsona mieściło się w granicach błędów pomiarowych. Obserwacje aberracji gwiezdnej i efektu Dopplera, podkreślał Lorentz, ujawniają wokółsłoneczny ruch Ziemi, natomiast wyniki pozostałych eksperymentów są takie, jak gdyby była ona nieruchoma.
2.5. Patowa sytuacja po dwóch eksperymentach Michelsona i Morleya
Michelson po powrocie do Stanów Zjednoczonych nawiązał współpracę z Edwardem Morleyem. Pod presją analiz Lorentza powtórzyli eksperyment Fizeau z 1851 (Michelson, Morley 1886). Zredukowali możliwe wpływy deformacji elementów optycznych na wyniki, ustabilizowali przepływ wody i zwiększyli dokładność pomiaru jej prędkości. Uzyskali zgodność z przewidywaniami wynikającymi z teorii Fresnela rzędu 1%. Następnie powtórzyli, w znacznie udoskonalonej postaci, eksperyment Michelsona z 1881 (Michelson, Morley 1887). Interferometr, by zminimalizować wpływ drgań i zmian temperatur, został umieszczony na kamiennej płycie pływającej w zbiorniku z rtęcią, a przez odbicie od kolejnych luster wydłużono drogę promieni świetlnych, tym samym zwiększając oczekiwany efekt.
Zajrzyjmy do artykułu z 1887. Obaj uczeni na wstępie wspominają o zjawisku aberracji gwiezdnej i jego wyjaśnieniu najpierw w ramach korpuskularnej, a następnie m-falowej teorii światła. Przemilczają pomiary Arago z 1810, wspominają natomiast o tym, że „[…] aberracja nie uległa zmianie, gdy obserwacje przeprowadzono za pomocą teleskopu wypełnionego wodą”.
Zgodnie z teorią falową, według Fresnela, po pierwsze, eter ma pozostawać w spoczynku, z wyjątkiem wnętrz ośrodków przezroczystych, w których, po drugie, ma się poruszać z prędkością mniejszą niż prędkość ośrodka w stosunku (n2 – 1)/n2, gdzie n to współczynnik załamania. Te dwie hipotezy dostarczają pełnego i zadowalającego wyjaśnienia aberracji. Drugą hipotezę, pomimo jej pozornego nieprawdopodobieństwa, należy uznać za w pełni udowodnioną, po pierwsze, przez słynny eksperyment Fizeau (1851), a po drugie, przez solidne potwierdzenie, jakie zyskała w naszej pracy (1886). Przedmiotem niniejszego artykułu jest eksperymentalny sprawdzian pierwszej hipotezy (Michelson, Morley 1887).
Dalej następuje omówienie układu eksperymentalnego i uzyskanych wyników: prążki interferencyjne nie ulegają widocznym przesunięciom, gdy interferometr jest obracany w stosunku do kierunku orbitalnego ruchu Ziemi. Obliczenia świadczyły o tym, że – uwzględniając dokładność pomiaru – prędkość „wiatru eteru” przy powierzchni Ziemi jest mniejsza niż 1/6 jej orbitalnej prędkości. Mogło to być, rzecz jasna, wynikiem szczególnego zbiegu okoliczności:
Powyżej brano pod uwagę tylko orbitalny ruch Ziemi. Jeśli sumuje się on z ruchem Układu Słonecznego, o którym niewiele wiadomo na pewno, to wynik musiałby zostać zmodyfikowany; i możliwe jest, że prędkość wypadkowa w czasie obserwacji była niewielka, choć nie jest to zbyt prawdopodobne. Eksperyment będzie zatem powtarzany co trzy miesiące, dzięki czemu unikniemy wszelkiej niepewności (Michelson, Morley 1887).
Osiągnięta dokładność była zarazem taka, że – pominąwszy wspomniany zbieg okoliczności – wykluczało to zaproponowaną przez Lorentza syntezę teorii Stokesa i Fresnela.
Na podstawie powyższych rozważań wydaje się dość pewne, że jeśli między Ziemią a eterem świetlnym zachodzi jakiś względny ruch, to musi on być mały; wystarczająco mały, by obalić wyjaśnienie aberracji podane przez Fresnela. Stokes podał teorię aberracji, która zakłada, że eter przy powierzchni ziemi pozostaje w spoczynku w stosunku do tej ostatniej i ponadto wymaga jedynie, aby prędkość względna miała potencjał; ale Lorentz pokazuje, że te warunki nie dadzą się pogodzić. Lorentz proponuje zatem modyfikację, która łączy pewne idee Stokesa oraz Fresnela i zakłada zarówno istnienie potencjału, jak i współczynnika Fresnela. Gdyby uzasadnione było wyciągnięcie wniosku z niniejszej pracy, że eter jest w spoczynku względem powierzchni ziemi, zdaniem Lorentza nie mógłby istnieć potencjał prędkości, a jego własna teoria również by zawodziła (Michelson, Morley 1887).
2.6. KOMENTARZ: O rzekomych anomaliach i o tym, że bywają one bezpłodne
Jeśli opiszemy całą tę historię z punktu widzenia filozofii nauki Kuhna, to stwierdzimy, że m-falowa teoria światła stała, od czasu swego powstania, w obliczu trzech poważnych anomalii. Próbowano je wyjaśnić za pomocą rozmaitych hipotez ad hoc. Wszystkie te hipotezy miały poważne wady, a nikt nie był w stanie ich usunąć. Należałoby zatem oczekiwać, że część badaczy popadła w stan kryzysu. Tymczasem nic takiego nie miało miejsca. Stokes, jeden z bohaterów powyższej opowieści, doskonale zdawał sobie sprawę z trudności, a jednak – ćwierć wieku po ich pojawieniu się – pisał:
Falowa teoria światła wyjaśnia jednak tak prosto i pięknie najbardziej skomplikowane zjawiska, że w sposób naturalny uważamy aberrację za zjawisko, którego ona nie wyjaśnia, ale które nie jest z nią niezgodne (Stokes 1845).
W języku Kuhna jest to rada, by odłożyć anomalie do wyjaśnienia w nieokreślonej przyszłości. Po czym minęło jeszcze czterdzieści lat, z anomaliami się nie uporano – a oznak Kuhnowskiego kryzysu wciąż nie było.
Kuhn