آزمایش فیزو: زمین ثابت است

آرماند فیزو (1819-1896)،فردی که آزمایشاتش باعث شد تا انیشتین نگران شده و انگیزه لازم برای ساخت تئوری نسبیت را بدست بیاورد. فیزو نیاز به اثبات نظریه “کشیدن” فرنل داشت تا پاسخی فیزیکی، نه صرفا نظری یا ریاضی برای نتایج آراگو داشته باشد. به طور گسترده ای، دانشمندان از نظرات و موضوعاتی اجتناب میکردند که نشان دهد زمین می تواند بی حرکت باشد. اگرچه دانشمندان دلیلی علمی برای حرکت زمین نداشتند ( و البته ندارند) اما آن ها هرگز از این اصل کوپرنیکی دست بر نمیداشتند و قبول نمیکردند که زمین میتواند بی حرکت باشد. این درحالی است که آزمایشات و نظرات فیزیک دانان و دانشمندان در قرن نوزدهم که نشان میداد زمین میتواند کاملا بی حرکت باشد توسط بسیاری نادیده گرفته و مخفی شده است. دانشمندان در قرن بیستم پس از انیشتین از اشاره به مفاهیم جئوسنتریک(زمین مرکزی) و اتفاقاتی که در قرن ۱۹ افتاد اجتناب میکردند. زمانی که عده ای از دانشمندان پی بردند که برخی آزمایشات نشان میدهد که زمین کاملا بی حرکت و ثابت است، این آزمایشات و نتایج آنان را بیهوده و غیر مهم دانستند و آن هارا رها کردند تا در تاریخ، گم شده و به زباله دان تاریخ بپیوندند. سرانجام دانشمندان بین قبول زمین ثابت و انکار اتر که میتوانست تمامی پدیده هارا به خوبی توضیح دهد، یکی را انتخاب کرده(انکار اتر را انتخاب کردند) و برای همیشه زمین ثابت را (که حتی انیشتین آن را برابر با مدل زمین متحرک میدانست و احتمال میداد که زمین ثابت باشد) به زباله دان تاریخ ریختند.

آزمایش های اولیه فیزو نشان داد که سرعت نور از طریق شیشه متفاوت با رنگ نور است،چیزی که برای آن نه توسط آرگو و نه فرنل آزمایشی ارائه شده است.البته این بدان معناست که اتر باید با رنگ های مختلف نور واکنش نشان دهد؛یا، مقدار دیگری از اتر در شیشه که برای هر رنگ خاص به دام افتاده بود، وجود داشت،گزینه هایی که به نظر می رسید بسیار جذاب هستند. فیزو فرضیه ای را مطرح کرد که اتر دارای کشش است و درجات مختلف کشش باعث واکنش های مختلفی با نور می شود. بدین ترتیب، فیزو برای تست ساختار اتر در سال ۱۸۵۱ آماده شد گرفت.

او دو پرتو نور موازی را در جهت مخالف از طریق لوله های آب که در آن آب به سرعت در حال جریان بود فرستاد. به این ترتیب یک پرتو با جریان آب و دیگری در برابر جریان حرکت می کرد. هنگامی که پرتو های نور در صفحه دریافت با یکدیگر مواجه شدند، پرتو نوری که در خلاف جریان آب درحال حرکت بود دیر تر رسید،درست همانطور که یک فرد در حال شنا در خلاف جریان آب نسبت به فردی که در جهت جریان آب شنا میکند نیاز به زمان بیشتری برای تکمیل مسیر خود دارد. همانطور که پرتوهای نور به مقصد نهایی در زمان های مختلف رسیدند،قله ها و دره های طول موج آنها هماهنگ نبودند،که پس از آن علامت های حاشیه ای روشن و تاریک در صفحه دریافت ظاهر شدند.

آب محیطی مناسب برای انجام چنین آزمایشی بود. از آنجا که سرعت نور در آب سریع است،محیط آب حاشیه کافی را از حد بالا فراهم می کند تا بتوان به راحتی متوجه شد که سرعت آن تغییر کرده است.همانطور که مشخص شد، حاشیه تداخل نشان دهنده تفاوت در زمان ورود دو پرتو است و گفته میشود که این نتیجه از فرمول “کشیدن” فرنل پشتیبانی می کند. اما نتیجه کاملا متفاوت از انتظارات فیزو بود. سرعت نور، مجموع سرعت نور اضافه شده به سرعت زمین نبود،در عوض، تنها اثر فیزو در سرعت نور یافت شد که توسط شاخص انکساری آب القا شد. این یک معضل کاملا بود. از یک سو این نشان داد که نور توسط یک محیط (به عنوان مثال آب) تحت تاثیر قرار گرفته بود، اما از سوی دیگر، نور توسط محیط اتر تحت تاثیر قرار نگرفت،به عبارت دیگر سرعت آن افزایش یا کاهش نمی یافت زیرا زمین در اتر حرکت میکرد.

فيزو معتقد بود که زمين در اتر حرکت مي کند. البته یک زمین ثابت می تواند به راحتی توضیح دهد که چرا نور توسط اتر تحت تاثیر قرار نمی گیرد، بلکه فقط توسط آب (شکست) تحت تاثیر قرار میگیرد. (در آزمایش فیزو از آنجا که هر پرتو نور از طریق آب عبور می کند،هیچ تفاوتی بین اتر در آب و اتر در هوا وجود ندارد،و تنها آن پرتوهای نور است که بعدا اندازه گیری می شوند.)

به منظور فرار از این مشکل، فیزو فرض کرد که، همانطور که آب جریان می یابد، اتر را نیز همراه خود میکشد و باعث میشود نور تنها بر خلاف اتر حرکت کند،که پس از آن به عنوان تغییر در سرعت نور در آب ظاهر می شود،به طور تصادفی، شاخص ریزش آب را برابر خواهد کرد و همچنین برابر ضریب “کشیدن” فرنل است.بنابراین به نظر می رسید که آزمایش فیزو از فرنل حمایت کرد، حداقل این که آنها می خواستند این آزمایش اینگونه تفسیر شود.

اما حقیقت این است که فرنل و فیزو هردو زمین ثابت را برای نتایج غیر منتظره آزمایشاتشان قبول داشته و ممکن میدانستند و آن را به عنوان یک راه حل مناسب برای آزمایشات خود میدیدند.

همه آزمایشات یک زمین ثابت و بی حرکت را نشان میدادند اما جوامع علمی که مدل کوپرنیک را قبول داشتند هرگز حاضر به پذیرش ثابت بودن زمین نبودند چرا که تمامی تفکرات ذهنی آنان را برهم میریخت.

۲۰ سال پس از آزمایش فیزو، جرج بیدل ایری آزمایش خود را انجام داد که به اعتراف خود، نتایج آراگو را تایید می کرد- زمین کاملا بی حرکت بود. جرج ایری یک ستاره شناس منحصر به فرد انگلیسی بود که برای انجمن ستاره شناسی سلطنتی کار میکرد. او یک دانشمند محترم بوده و برای تلاشهایش کاملا مشهور بود. اما ایری یک هلیوسنتریست (کروی گرای) به رسمیت شناخته شده بود، درست مانند انیشتین، به دلیل موقعیت ایری به عنوان یک دانشمند محترم نیست که ما به کار او اشاره میکنیم، بلکه دقیقا به دلیل ناتوانی او در اثبات دیدگاه گرانبهای خود از کیهانشناسی است که میتوان آزمایش او را مورد بررسی قرار داد.

حداقل تا قبل از آزمایش او، ایری کاملا مطمئن بود که تلسکوپ پر از آبش ثابت می کند که زمین به دور خورشید میچرخد. از این رو، او در “شکست خود” کاملا شگفت زده شد. در اینجا چگونگی شکست “ایری” آمده است. ایری از آراگو می دانست که:

(۱) سرعت نور در یک محیط شفاف جامد نسبت به هوا کندتر است.

(۲) هر حرکتی که به زمین اعطا شده است بر سرعت نور تاثیر نمی گذارد.

(۳) توضیح فرنل از آزمایش آراگو این بود که ظرف شیشه ای اتر را کشیده و به طور مستقل از اتر در هوا عمل میکند

ایری تنها با تقویت رویه های پیش از خود،تصمیم به استفاده از یک منبع نور در خارج از زمین گرفت. او از نور ستارگان استفاده کرد و آن را از طریق محیط های مختلف برای دیدن اینکه آیا نور تحت تاثیر قرار گرفته است یا نه، هدایت کرد.قبل از اینکه ببینیم آزمایش ایری در نبرد برای اینکه آیا زمین ثابت است یا خیر مفید بوده است،بهتر است که کمی از تاریخ ماهیت نور ستارگان بدانیم.

ستاره شناس جیووانی پیونیو (Giovanni Pieron) در سال ۱۶۴۰ گفت که ستارگان مختلف در طول سال،موقعیت خود را در آسمان تغییر میدهند.فرانچسکو رینوچینی (Francesco Rinuccini) این شواهد را به توجه گالیله در سال ۱۶۴۱ رساند، اما گالیله تحت تاثیر قرار نگرفت. سه دهه بعد، در سال ۱۶۶۹، رابرت هوک (Robert Hooke)، متوجه چنین تغییراتی برای یک ستاره به ویژه گاما دراکونیس(گاما اژدها) در صورت فلکی اژدها شد. از آنجا که بسیاری از زمان کوپرنیک به دنبال شواهد فیزیکی حرکت زمین بوده اند، هوک در واقع فکر کرد که پارالکس را به عنوان اثبات آن کشف کرده است. تقریبا ۳۰ سال بعد، جیمز برادلی تصمیم گرفت تا تعیین کند که مشاهدات هوک، در واقع، یک اختلاف منظر از گاما دراکونیس است.

در طول سالهای ۱۷۲۵-۱۷۲۸ برادلی متوجه شد که در طول یک سال، ستاره یک بیضی کوچکی در مسیرش ثبت شده است، تقریبا همانند یک اختلاف منظر. در سیستم هلیوسنتریک، اختلاف منظر به عنوان ارتباط یک به یک بین انقلاب سالانه زمین و بیضی سالانه ستاره در نظر گرفته می شود، اما برادلی متوجه شد که بیضی ستاره این الگوی خاص را دنبال نمی کند.

در سیستم هلیوسنتریک، که برادلی استفاده میکرد، اختلاف منظر یک ستاره با استفاده از مدار زمین اندازه گیری میشد. در هر نقطه از مسیر زمین، یک ستاره با اختلاف منظر در جهت مخالف مدار زمین در بیضی ستاره پدیدار خواهد شد. برای مثال، در مدل هلیوسنتریک، اگر زمین در ساعت دوازده در مدار باشد،ستاره در ساعت شش در بیضی خود خواهد بود. اگر زمین در ساعت سه باشد،ستاره در ساعت نه خواهد بود. در ابیراهی ستاره ای، زمین و ستاره در طرف مقابل از بیضی های مربوطه قرار نمی گیرند. بنابراین، اگر زمین در ساعت دوازده در مدار باشد،ستاره نیز در ساعت دوازده در بیضی خود خواهد بود. از آنجا که این بعد از الگوی پارالاکس طی سه ماه گذشته بود،برادلی متوجه شد که گاما دراکونیس الگوی ابیراهی ستاره ای را دنبال می کند،نه الگوی پارالکس را.

برادلی یک زاویه انحرافی ۲۰.۴۷ درجه را یافت. درضمن،برادلی کشف کرد که گاما دراکونیس در طول ۱۸/۶ سال یک بیضی کوچکتر را دنبال میکند. توضیح مدل هلیوسنتریک برای این بیضی این است که ماه، از آنجایی که تقریبا تغییر جهت محور هر ۱۸/۶ سال یکبار به دور زمین است،چرخش محوری زمین را تغییر می دهد(که به Nutation نیز معروف است). با این حال، این توضیح ناکافی است؛ زیرا هر ستاره باید یک بیضی ۱۸.۶ ساله را مانند گاما دراکونیس داشته باشد.

در این نقطه، علم نجوم هنوز در انتظار تایید اختلاف منظر ستارگان بود ، زیرا هیچکس آن را اندازه نگرفته بود اما سپس اندازه گیری تایید شده ای از اختلاف منظر ستارگان در بیش از یک قرن بعد توسط فریدریک بسل (Friedrich Bessel) در سال ۱۸۳۸ به ثبت رسید. بنابراین برادلی، استدلال می کند که گاما دراکونیس برای ثبت یک اختلاف منظر خیلی دور است، سپس یک توضیح دیگر یافت که بسیار هوشمندانه بود.

او اظهار داشت که بیضی سالانه ستاره به علت محدود بودن سرعت نور شکل گرفت،یعنی، ستاره در واقع در آسمان حرکت نمی کند؛ به جای آن، نور ستاره با یک سرعت محدود درحال حرکت و برخورد با زمین متحرک بود. زمین برای شش ماه به سمت ستاره حرکت میکرد و برای مدت شش ماه نیز از ستاره درحال دور شدن بود. در حالی که زمین به سمت ستاره حرکت میکرد، نور ستاره سریعتر به زمین می رسید. اما زمانی که زمین از ستاره درحال دور شدن بود، نور آن دیرتر به زمین می رسید. برادلی استدلال کرد که اگر سرعت نور بی نهایت باشد چنین اثری وجود ندارد، اما از آنجایی که محدود است،این حرکات عقب و جلو زمین باعث میشود که در یک دوره یکساله ستاره را درحال حرکت در یک بیضی ببینیم. این توضیح یک نظر خوشایند برای دیدگاه هلیوسنتریک بود چرا که تا زمان برادلی هیچکس حتی گالیله نیز نتوانسته بود دلیلی برای چرخش زمین به دور خورشید بیابد.

تنها دلیلی که گالیله برای دفاع از مدل خورشید مرکزی بیان کرده بود این بود که او ادعا کرد از جایی که نقاط درخشانی (قمر) به دور مشتری درحال چرخش هستند، پس جرم کوچکتر همیشه به دور جرم بزرگتر چرخش میکند و زمین نیز باید به دور یک جرم بزرگ مانند خورشید حرکت کند اما هرگز نتوانست ادعای خود را به اثبات برساند.

گالیله امیدوار بود تا شواهدی برای ادعای خود پیدا کند. بعد از مدتی او ادعا کرد که جزر و مد بر اثر حرکت زمین به دور خورشید پدید می آید. او استدلال کرد که این حرکات فرضی زمین باعث پدید آمدن جزر و مد میشود و این مدرکی است که ثابت می کند زمین به دور خورشید در حرکت است اما از بخت بد او ایده او مورد پذیرش نبود و به آسانی توسط هم عصران وی نقض شده و ثابت شد که او اشتباه می کند.

آن ها گفتند اگر علت پدید آمدن جزر و مد حرکت زمین است پس ما هر روز باید شاهد جزر و مد های شدیدی باشیم زیرا زمین مدام در حرکت است و البته اگر اینگونه باشد همه چیز باید تحت تاثیر این حرکت قرار بگیرد نه فقط آب ها و همه چیز باید از زمین به فضای خارج پرتاب شود.