آقای مکسوِل تئوری الکترومغناطیس خود را در سال 1865 میلادی ارائه داد. او تئوری خود را بر اساس وجود محیط بخصوصی برای انتشار نور پایه ریزی کرده بود، محیطی که وجودش برای انتشار امواج نور و سایر امواج الکترومغناطیسی ضروری بود. در آن زمان، آن محیط را به نام اتر نامگذاری کرده بودند. ولی، ماهیت اتر چه بود و یا چه خواصی داشت ناشناخته بود.
اتر، محیط لازمی بود که امواج الکترومغناطیسی بتوانند در آن سیر کنند، چونکه رابطۀ بین اتر و امواج الکترومغناطیسی درست مانند رابطۀ بین هوا و امواج صوتی فرض شده بود. بعدها دانشمندان در باره ماهیت اتر کنجکاو شدند و بر اساس این فرضیه که اتر در فضا ثابت است و امواج و حتی سیارات و ستارگان در آن حرکت می کنند، سعی کردند که سرعت حرکت اتر را در سطح زمین اندازه گیری کنند. حرکت فرضی زمین در محیط ساکن اتر در شکل زیر نشان داده شده است.
در همین رابطه مطالعه کنید:
- آزمایش آراگو: زمین ثابت است
- آزمایش آگوستین فرنل: زمین ثابت است
- آزمایش فیزو: زمین ثابت است
- نیکولا تسلا: “شما اشتباه می کنید، آقای انیشتین، اتر وجود دارد!”
آلبرت آبراهام مایکلسون (Albert Abraham Michelson) (زاده ۱۹ دسامبر ۱۸۵۲ – درگذشته در ۹ مه ۱۹۳۱) فیزیکدان آمریکایی روستبار بود، بیشتر به خاطر فعالیتهایش در اندازه گیری سرعت نور و آزمایش مایکلسون-مورلی مشهور است. او در سال ۱۹۰۷ جایزه فیزیک نوبل را دریافت کرد و اولین آمریکایی بود که موفق به دریافت جایزه نوبل در علوم شد. او از آکادمی نیروی دریایی ایالات متحده در رشته ریاضیات فارغالتحصیل شده بود و بعدها در همانجا تدریس کرد.
او با اختراع ابزاری که «تداخل سنج» نامیده میشد شروع به اندازه گیری سرعت نور کرد. اینشتین بر پایه تحقیقات او موفق به ارائه نظریه نسبیت گردید.
ادوارد مورلی (Edward W. Morley) زاده ۲۹ ژانویه ۱۸۳۸ درگذشته ۲۴ فوریه 1923، (یک فیزیکدان اهل ایالات متحده آمریکا بود. مورلی و البرت مایکلسون سعی کردند تا با این ازمایشات وبا اندازه گیری دقیق سرعت نور مسئله ی اتر را حل کنند.این دو دانشمند تفاوت زمان رسیدن نور در امتداد حرکت زمین و عمود بر ان را تحلیل کردند.سرعت نور در جهت و عمود و در خلاف جهت حرکت زمین یکسان بنظر رسید.
آنان نتیجه گرفتند: اگر هر حرکت نسبی بین زمین و اتر نور رسان وجود داشته باشد این حرکت کاملا کوچک است.
در همین رابطه مطالعه کنید:
آزمایش مایکلسون – مورلی
از نظرات و توضیحات تسلا، ماکسول و بسیاری دیگر همه ما متوجه شده ایم که نور از طریق محیطی به نام اتر حرکت می کند. موجی که نیاز به یک محیط متراکم برای انتشار دارد، “الاستیک” یا “مکانیک” نامیده می شود، زیرا از طریق یک محیط الاستیک یا مکانیکی حرکت می کند. در این بخش میخواهیم درباره آزمایشات مایکلسون – مورلی صحبت کنیم که بخش عمده ای از این آزمایشات تداخل نور است. خواهیم دید که چگونه زمانی که زمین را ثابت در نظر بگیریم، فرمول های پشت این آزمایش را می توان به شیوه ای بسیار ساده توضیح داد.
تداخل، زمانی اتفاق می افتد که نتیجه دو موج موجب تشکیل یک موج می شود که می تواند یک دامنه بزرگتر(یا بیشتر)، کمتر(یا پایین تر) و یا یکسان داشته باشد.
یک موج که در امتداد محور X حرکت می کند، توسط عبارتی بیان می شود که معادله موج را بدست می آورد (معادله‌ی D’Alembert).
در اینجا f تابع موج، v سرعت موج و t زمان است. یک راه حل ممکن از معادله موج، موج هارمونیک شرح داده شده توسط معادله زیر است:
در اینجا A دامنه موج، f فاکتور موج، ω پالس و φ0 فاز اولیه است.
بگذارید ۲ موج را در نظر بگیریم و آنها را جمع کنیم (تداخل):
f = f1 +f2
تداخل زمانی سودمند است که:
در این مورد دامنه بصورت زیر است:
تداخل زمانی مخرب است که:
در این حالت دامنه بصورت زیر است:
با استفاده از ابزارهای خاص (به عنوان مثال آینه های فرنل)، می توان تداخل بین دو موج منسجم را که حاوی حاشیه هایی هستند که در ناحیه های روشنایی متناوب با ناحیه های مبهم ظاهر می شوند، تجسم کرد.
ابزار نمایش داده شده در تصویر(تصویر بالا)، تداخل سنج مایکلسون است. یک پرتو نور که از منبع S خارج می شود، در آینه متحرک M1 منعکس شده و به آینه ثابت M2 منتقل می شود اشعه نور برگشتی از M1 و M2 ابتدا با شکافنده پرتو برخورد کرده و سپس بر روی آشکارساز می افتد که بر روی لنز شکافنده فوکوس است.
آشکارساز دو پرتو منسجم از نور را دریافت می کند که از منبع یکسانی منتقل می شوند (منسجم بدان معنی است که این اشعه ها فاز مشابهی دارند). این اشعه ها، بسته به مسیر نوری که از فاصله های AM1 و AM2 می آید یکی از M1 و دیگری از M2، با یکدیگر تداخل، همدیگر را تقویت و یا تضعیف میکنند.
با تغییر فاصله مناسب AM1، ممکن است تداخل با حداکثر یا حداقل شدت در O (آشکار ساز) تولید شود.با تغییر فاصله AM1 از λ / 4 (که λ طول موج پرتو تابشی نور است) شما می توانید از حداقل تا حداکثر عبور کنید. یک لنز جبران کننده دقیقا برای تولید مسیر نوری یکسان در دو پرتو استفاده می شود.
در سال ۱۸۸۱ مایکلسون و مورلی آزمایشی را انجام دادند تا ببینند آیا به همان شیوه که صوت نیاز به یک محیط الاستیسیته (مانند هوا یا آب) برای انتشار دارد، به همین ترتیب، نور نیز برای پخش شدن به یک محیط مکانیکی نیاز دارد یا خیر؟ محیطی به نام اتر.
اتر باید در فضای بین زمین و ستارگان قرار داشته باشد تا نور از ستارگان به زمین برسد. این بدان معنی است که فضا خالی نیست: خلاء فقط خلاء هوا است، اما خلاء مطلق نیست.
c را سرعت نور در اتر در نظر بگیرید.هنگامی که شما به سمت پرتو نور درون اتر ثابت با سرعت V حرکت می کنید، باید سرعت کل نور را C + V اندازه گیری کنید، اما هنگامی که شما در خلاف مسیر پرتو نور حرکت کنید، باید c-v را اندازه گیری کنید. این توضیحات مربوط به نسبیت گالیله است.
مایکلسون و مورلی فکر کردند که این اصل را می توان برای بررسی اینکه آیا اتر وجود دارد یا خیر، استفاده کرد. آنها فکر کردند که می توان از تداخل سنج برای ارزیابی تغییرات حاشیه تداخل مطابق سرعت زمین(یا به علت حرکت زمین) استفاده کرد.
ایده آنها این بود:
زمانی که شما یک شاخه از تداخل سنج را در جهت سرعت زمین قرار دادید (v) و شاخه دیگر عمود بر اولی، یک طرح دقیق از حاشیه های تداخل به دست می آورید. سپس، با چرخاندن ۹۰ درجه تداخل سنج ، می توانید دو شاخه تداخل سنج را معکوس (یا متوقف) کنید.
از آنجا که مسیر نوری نیز تغییر می کند، حاشیه ها باید تغییر کنند. بیایید محاسبات را ببینیم. دو شاخه تداخل سنج AM1 و AM2 طول یکسان دارند. شاخه AM2 در جهت حرکت لابراتور و نسبت به اتر کیهانی چرخانده شده است.
وقتی که ما اتر را بدون حرکت، ثابت نسبت به ستارگان در نظر میگیریم، جهت و ماهیت سرعت زمین (v) باید بسته به ساعتی از روز و روزی از سال باشد. برای قانون S = vxt از حرکت یکنواخت بر روی خط راست، پرتو نور که از A به M2 برسد زمان (c-v) / t=l را صرف میکند. برای بازگشت از M2 به A یک زمان t = l / (c + v) طول می کشد.
کل زمان برای شاخه AM2 عبارت است از:
زمان t1 از شاخه دیگر (AM1) مقدار دیگری دارد. برای این مورد ما باید به یاد داشته باشیم که زمین در طول زمان t1 حرکت می کند. بنابراین مسیر کل پرتو به صورت مثلثی است.
در حالی که پرتو نور از A به M1 حرکت کند، آینه A در جهت سرعت زمین حرکت می کند. این فاصله AA‘ را می توان با در نظر گرفتن سرعت v و زمان t1 مورد نیاز برای نور به منظور رسیدن به M1 و بازگشت به ’A محاسبه کرد. بنابراین ما داریم:
AA’=vt1
به این ترتیب اشعه نور در فاصله AM1A’= 2AM1 با سرعت c حرکت میکند. زمان مورد نیاز بصورت معادله زیر خواهد بود:
نتیجه نیز بصورت زیر خواهد شد:
این دو پرتو منسجم در نقطه O به شیوه ای که به t1 و t2 بستگی دارد، منطبق میشوند. سپس، هنگامی که شما تداخل سنج را به منظور دسترسی شاخه AM1 در جهت سرعت لابراتور به نسبت اتر می چرخانید،t1 و t2 تغییر می کند، بنابراین باید در دو پرتو، در O در نتیجه تغییرات حاشیه تداخل ، تفاوت فاز وجود داشته باشد.
هر بار که این آزمایش تکرار شد، در ساعت های مختلف روز و در روزهای مختلف سال، همواره نتایج مشابهی به دست آورد: هیچ تغییری در حاشیه ها وجود نداشت. بدیهی است، زمانی که فیزیکدانان تلاش کردند این نتیجه را توضیح دهند، هیچکس فرض نکرد که زمین بی حرکت باشد. بنابراین انیشتین این مسئله را با بیانیه معروفش که او بعدا تئوری نسبیتش را در تمامی جهات و در تمامی سیستم های c بر اساس آن ساخت، حل کرد: نور با سرعت برابر مرجع مختلف حرکت می کند. اما ماجرا در همینجا تمام نمیشود چرا که نسبیت انیشتین نیز دارای اشکالات فراوانی است. بسیاری از محققان ثابت کرده اند که نسبیت انیشتین اشتباه است.
درست است که نور بر روی یک خط مستقیم از طریق هوا با سرعت 299700 km/s حرکت می کند (۲۹۹۷۹۲،۴۵۸ کیلومتر بر ثانیه در خلاء)، اما ذرات نور بر روی امواج تک رنگ در عین حال بصورت یک موج سینوسی حرکت میکنند، به این ترتیب در طول یک واحد مساوی از زمان یک مسیر دیگر را پوشش می دهد. از آنجائیکه ذرات ماده به طور قطع قادر به حرکت با چنین سرعتی هستند، تنها توضیح ممکن برای آزمایش مایکلسون مورلی این است که زمین حرکت نمی کند. در این مورد v=0
اکنون شما متوجه خواهید شد که t1 و t2 برابر می شوند:
t1 = t2 = l / c
(هیچ تغییری در حاشیه تداخل وجود ندارد). اگر زمین را ثابت و بدون حرکت در نظر بگیریم، فرمول های پشت این آزمایش بصورت فوق العاده ای ساده میشوند.
انیشتین در توضیحی درباره آزمایش مایکلسون مورلی می گوید:
“از آن زمان به این باور رسیده ام که حرکت زمین با هیچ آزمایش نوری قابل تشخیص نیست، گرچه زمین به دور خورشید می چرخد”
In Japan, Einstein gave a speech entitled “How I Created the Theory of Relativity” at Kyoto University on 14 December 1922. This was an impromptu speech to students and faculty members, made in response to a request by K. Nishida, professor of philosophy at Kyoto University. Einstein himself made no written notes.
او اعتقاد دارد که حرکت زمین را نمیتوان با آزمایشات نوری (شامل مایکلسون و آزمایشات مشابه دیگر) به اثبات رساند، اما بهرحال او با توجه به اصل کوپرنیکی و با توجه به تحریفات دانشمندان پیش از خود، به سیستم خورشید مرکزی باور دارد حتی اگر هیچ شواهد و مدارکی از آن وجود نداشته باشد.
چارچوب مرجع لخت
اغلب در بحث مربوط به ارتباط آزمایشهای مایکلسون، مسئله چارچوب های لخت خود را نشان می دهد. یک چارچوب لخت (چارچوب لختی) شیء است که در حالت استراحت یا حرکت یکنواخت قرار دارد و شتابی در آن وجود ندارد.
اگر زمین به دور خورشید درحال چرخش باشد، از آنجا که شتاب میگیرد یک چارچوب غیر لخت است (توجه کنید: در فیزیک، همه اشیائی که در یک دایره حرکت می کنند سریعتر در نظر گرفته می شوند، حتی اگر سرعت یکنواختی داشته باشند).
به عنوان مثال، به علت اثرات شتاب در دستگاه، هنگام انجام آزمایشات روی زمین، یکی از آنها مانع می شود (یک اصل که همه دانشمندان قبول دارند). بنابراین، برای اینکه آزمایش مایکلسون معتبر باشد، یعنی چیزی که در یک چارچوب لختی رخ می دهد)همانطور که اگر در حالت ثابت می بود(، یک نسبیت گرا چارچوب لختی را با معادلات “تبدیل” بالا ایجاد می کند.
باردیگر مصادره به مطلوب به راحتی در طرز فکر آن ها دیده میشود. برای کسانی که نتایج نخستین آزمایش مایکلسون را قبول می کنند (که زمین در حال حرکت نیست) این بدیهی است که زمین یک چارچوب لخت است چون در حالت استراحت مطلق (سکون) است. به این ترتیب نیازی به ایجاد چارچوب های لختی برای زمین وجود ندارد و بنابراین نیازی به استفاده از یک معادله “تبدیل” نیز نیست.
اتر باقی مانده
در ضمن، ما باید به یکی از نقاط مهم آزمایش مایکلسون مورلی اشاره کنیم. ما در بالا شاهد بودیم که این آزمایش تنها یک ششم از آنچه برای زمین نیاز بود تا به دور خورشید بچرخد را نشان داد. این یک ششم باتوجه به دلیل دیگری مهم است. این نشان داد که فضا از چیزی مادی تشکیل شده. نامی که توسط لورنتس، ماکسول و دیگر دانشمندان به آن داده شد، “اتر” بود. هیچ کس نمی دانست که اتر دقیقا از چه چیزی تشکیل شده است.
اما آنها به درستی محاسبه کردند که فضا نمی تواند “هیچ چیز” باشد، زیرا از نظر متافیزیکی “هیچ چیز” نمی تواند وجود داشته باشد. فضا باید یک “چیزی” باشد که از چیزی فیزیکی تشکیل شده باشد، هرچند مثل هوا ما نمیتوانیم آن را ببینیم، زیرا نامرئی است. مهم نیست آن را چه بنامید. واقعیت این است که باید وجود داشته باشد. مکانیک کوانتومی پیشنهاد کرده است که اجزای اساسی اتر ذرات پلانک هستند که ۲۰ مرتبه کوچکتر از الکترون هستند. نوع دیگری از اتر ممکن است ذره ای دو قطبی الکترون-پوزیترون باشد که در سال ۱۹۳۲ توسط کارل اندرسون کشف شد.
در هر نامیدیم، در آزمایشهای ۱۸۸۱ و ۱۸۸۷ مایکلسون، » اتر « صورت، ماده فضایی که ما آن را و آزمایش او در سال ۱۸۹۷ با دستگاه زمینی شناخته شد. از آنجایی که نور به سرعت حرکت می کند، میتواند برای اندازه گیری چیزی کوچک مانند ذرات اتر به کار برده شود. تداخل سنج او کاملا دقیق بود و می توانست آن را صد برابر بیشتر از اندازه گیری مورد نیاز اندازه گیری کند. به همین ترتیب اتر را به اندازه کافی برای مطابقت با زمین در حال حرکت با سرعت ۶۶،۰۰۰ مایل در ساعت به دور خورشید اندازه گیری نکرد. اما مقدار کمی اتر را اندازه گیری کرد، در غیر این صورت نتایج او یک ششم را نشان نمیداد بلکه صفر ششم از حضور اتر را نشان میداد.
مایکلسون حضور مقدار کمی اتر را در مقاله ۱۸۸۷ خود ذکر کرد.
https://www.researchgate.net/publication/274278546_Revisiting_the1887_Michelson-Morley_Experiment
این برای انیشتین خوب نبود. او صادقانه اشاره کرد که اگر هر مقدار اتر شناسایی شود، حتی بسیار کم، تئوری نسبیت خاص او بطور خودکار باطل میشود. این در بیانیه انیشتین به سر هربرت ساموئل در اورشلیم نوشته شده است:
” اگر مایکلسون مورلی اشتباه باشد، نسبیت نیز اشتباه است.”
Einstein: The Life and Times, p. 107
به عبارت دیگر، انیشتین مجبور شد تصور کند که چون مایکلسون اتر را به اندازه کافی برای چرخش زمین به دور خورشید پیدا نکرد، در نتیجه مایکلسون هیچ اتری را پیدا نکرد. اما اگر این نتیجه گیری انیشتین اشتباه باشد، تمام نظریه نسبیتش به طور خودکار باطل خواهد شد زیرا حتی مقدار کمی اتر به عنوان یک چارچوب مطلق عمل می کند و بنابراین «نسبیت» را باطل میکند. فیزیکدان برجسته Charles Lane Poor از دانشگاه کلمبیا این مسئله را تکرار کرد:
“آزمایش مایکلسون-مورلی پایه ای از نظریه نسبیت را تشکیل می دهد: اینشتین آن را تعیین کننده می داند …اگر اتر قابل اندازه گیری ای وجود داشته باشد، سپس کل نسبیت مانند یک خانه پوشالی فرو میریزد.”
Gravitation versus Relativity, p. 261
بنابراین اینشتین به این امید که مایکلسون مقدار مورد نیاز اتر را برای زمین در حال حرکت به دور خورشید تشخیص نمی داد، می توانست به سادگی نتیجه گیری کند که اتر وجود ندارد. از این رو، تشخیص یک ششم از اتر مورد نیاز به راحتی به “خطای آزمایشی” ربط داده شد.
با این حال واقعیات چیز دیگری را نشان میدهند. هر آزمایش تداخل سنجی که انجام شد، از مایکلسون در سال ۱۸۸۱ گرفته تا جوس در سال ۱۹۳۰ ، که ۵۰ سال از نتایج مشابه از دوازده آزمایشگر مختلف است، نشانگر شناسایی یک ششم تا یک دهم است. به ویژه جامع ترین آزمایش های تداخل سنجی بین سالهای ۱۹۰۸ و ۱۹۲۱ توسط دیتون میلر (Dayton Miller) اجرا شد.
اما در این زمان (دهه های ۱۹۱۰ و ۱۹۲۰ ) دنیا به دنبال قبول نظریات و فرضیات انیشتین و رد مخالفین و کسانی که چالش هایی مطرح میکنند بود. از آن گذشته، انیشتین به حرکت اندازنده زمین بود، او باعث شد زمین به دور خورشید بچرخد و به این ترتیب انسان را از پذیرفتن اینکه علم از ۵۰۰ سال پیش اشتباه میکرده است، نجات داد.
مایکلسون آزمایش دیگری در سال ۱۹۲۵ برای اندازه گیری حرکت اتر و چرخش روزانه آن بین فضا و زمین انجام داد. در این آزمایش او شش ششم اتر مورد نیاز را برای چرخش روزانه را پیدا کرد. از این رو منطقی است که فرض کنیم که یک ششمی که او در ۱۸۸۷ یافت، بعد از همان اتر که بعدا در آزمایش ۱۹۲۵ او یافت شد، آمد. از آنجا که اتر در آزمایش ۱۸۸۷ بصورت مداوم به تداخل سنج برخورد میکرد نه خطی،پس تنها یک ششم کل اتر در فضا را مشخص میکرد.
