Valguse eeter: ajalugu, kontseptsioon ja Michelson–Morley katse

Valguse eeter: avasta selle ajalugu, kontseptsioon ja Michelson–Morley katse, mis muutis meie arusaama valgukiirusest ja ruumist.

Valguse eeter oli ajalooline hüpotees sellest nähtamatust ainest või keskkonnast, mis pidanuks täitma Universumi ja võimaldama valguslainete levikut samamoodi nagu helilained või veelaine vajavad keskkonda. XIX sajandil, mil valguse olemust hakati laiemalt laineilminguna seletama (Maxwelli elektromagnetlainete teooria), tundus loogiline oletada, et laine peab kandujaga levima. See „helendav eeter“ pidi omama vastuolulisi omadusi: ta pidi olema väga jäik, et toetada kiiret levimist (valguse kiirus on palju suurem kui helikiirus), aga samas täiesti nõrk ja peen, et ta ei takistaks planeetide liikumist ega avaldaks gravitatsioonilist mõju, mida me ei tuvasta.

Levinud kujutluses oli eeter universumi staatiline taust. Kui vaatleja liigub läbi mõne vedeliku või õhu, näib lainete liikumine tema suhtes muutuvat — näiteks paadisõitja näeb lainet pommitamas tema pardale erineval nurga alt. Veendumust eetri olemasolus toetasid ka mitmed katse- ja teoreetilised katsed (nt Fresneli „eetri tõmme“ ja Fizeau vedelike katse), kuid lõplikult segas pilti ühe tähtsa katse tulemus.

Michelson–Morley katse

1887. aastal sooritatud Michelsoni–Morley katse oli kavandatud selleks, et mõõta Maa liikumist läbi eetriga — nii-öelda „eetrituult“. Katse kasutab interferomeetrit: valguskiir jagatakse kaheks, mis liiguvad risti üksteise suhtes ja peegelduvad tagasi, seejärel moodustavad need uuesti interferentsimustri. Kui Maa liigub läbi eetri, siis ühe haru valgus peaks liikuma eetrivooluga samas suunas ja teise haru suhtes seda ei tee, mistõttu peaks ilmuma mõõdetav faasinihe (fringeshift), kui seadet pöörata või kui Maa liigub oma orbiidil.

Michelson ja Morley ootasid leida sellist nihket, mis vastaks Maa orbiitkiirusele (~30 km/s). Katse tulemus oli ootamatu: interferentsimustris ei leitud usaldusväärset nihet väljaspool katse täpsust — tulemus oli lähedal nullile. Tulemus näitas, et ei ole olemas mingit taustkeskkonda, mille suhtes valguse kiirus sõltuks vaatleja liikumisest. See tulemus pani kahtluse alla lihtsa eeteri olemasolu.

Miks tulemus oli üllatav ja kuidas sellele vastati

Nulltulemus oli üllatav, sest klassikalise liitmise loogika kohaselt peaks kiirused liituma: kui allikas liigub vaatleja suhtes, siis peaks valguse näiline kiirus muutuma. Michelson–Morley tulemust seletati mitmel moel enne fundamentaalse ümberhindluse tekkimist:

• Fitzgeraldi kontraktsioon — idee, et objektid lühenevad liikumise suunas, mis vähendab teekonna erinevust ja peidab eeldatava nihke.
• Lorentzi eeteriteooria — Hendrik Lorentz arendas välja transformatsioonid (nüüd nimetatakse Lorentzi-transformatsioonideks), mis selgitasid katse tulemusi läbi elektri- ja magnetväljade muundumise; säilitati eeteri mõiste, kuid toimus kohandamine selle omadustes.

Einsteini erirelatiivsusteooria ja eeteri hääbumine

1905. aastal pakkus Albert Einstein välja erirelatiivsusteooria, mille kaks põhipostulaati olid: (1) loodusseadused on kõikides inertiaalreferents-süsteemides samad; (2) valguse kiirus vaakumis c on konstant ja sõltumatu vaatleja liikumisest. Einsteinil ei olnud vaja füüsikalist eeterit — konstantsus oli fundamentaalne omadus. Lorentzi matemaatilised tööriistad jäid, kuid eeter kui aineiline keskkond kaotas füüsikalise tähenduse. Erirelatiivsuse põhjal on Michelson–Morley nulltulemus loogiline ja kooskõlas pingutusteta.

Hilisemad katsed ja kaasaegne seisukoht

Michelsoni ja Morley eksperimendi täpsust on järk-järgult parandatud. XX ja XXI sajandil on tehtud palju kordi täpsemaid katseid, kasutades kaasaegseid tehnoloogiaid:

• paranenud optilised interferomeetrid ja laserid;
• kuumutatud ja jahutatud optilised resonandid ning ultra-stabiilsed kellaosutid;
• satelliidi- ja GPS-põhised testid, mis kontrollivad relativistlikke efekte kõrgema täpsusega;
• täpsed katsed, mis võrdlevad valguse levikut eri suundades ning elektri- ja magnetväljade mõju valguse kiirusele.

Tänapäevased katsed kinnitavad, et valguse kiirus vaakumis on isotroopne (sama kõikides suundades) ning sõltumatu vaatleja liikumisest väga kõrge täpsusega; diferentsiaalsed kõrvalekalded on piiratud väga väikeste ülemiste piirväärtustega (paljudel eksperimentidel <10^−15 … 10^−18 tasemel sõltuvalt mõõtmise meetodist). Seega klassikaline „valguse eeter“ on füüsikas enamasti hüljatud mõiste.

Mis on eeteri idee pärandiks?

Kuigi luminiferous eeter-kontseptsioon kadus, jäid eksperimendid ja matemaatika, mis aitasid selle diskrediteerida, tähtsaks edaspidiseks mõtlemiseks. Lorentzi-transformatsioonid, Michelsoni–Morley tüüpi interferomeetria ja täpsed katsemeetodid on tänaseni kasutuses. Samuti tõi eeteri diskussioon kaasa parema arusaama sellest, mida tähendab „ruum“ ja „tühjus“: kaasaegne kvantväljateooria kirjeldab vaakumit kui kvantväljade madalseisu ehk nullpunktienergia olukorda, mis ei ole klassikaline mehaaniline eeter, vaid pigem matemaatiline ja energiaomadustega keskkond.

Lihtne illustratsioon ja valeintuutsus

Tavapärane näide, mida vahel kasutatakse eeteri seletuseks või selle ümberlükkamiseks, on kosmoselaeva kujutlus: kui kosmoselaev liigub pooled valguse kiirusest, siis klassikalise liitmise järgi peaks valgus, mis liigub samas suunas, näima aeglasem või kiirem vastavalt allika suhtumisele. Erirelatiivsuse kohaselt aga mõõdetakse mõlemat valguskiirust kui sama c (ligikaudu 300 000 km/s), olenemata laeva või allika liikumisest. See näide tundub esialgu paradoksaalne, sest me põhineame igapäevastel laine- ja liitmisekogemustel (paadid, helilained), kuid elektromagnetlainete ja valguse käitumine on fundamentaalselt erinev ning seda kirjeldavad Maxwelli võrrandid koos relativistliku raamistikuga.

Järeldus: ajalooline idee valguse eetrisest ainesest aitas kujundada 19. ja 20. sajandi füüsikat ning sundis teadlasi läbi viima täpseid katseid. Michelson–Morley nulltulemus ja järgnevad täpsemad mõõtmised viisid mõtteviisi muutumiseni ning aitasid sillutada teed Einsteini erirelatiivsusteooriale. Kaasaegne füüsika ei vaja klassikalist eeterit, kuid uurib endiselt vaakumi ja kvantväljade omadusi ning jätkab valguse ja ruumi fundamentaalsete põhimõtete testimist.

Küsimused ja vastused

K: Mis on helendav eeter?

K: Mida uskusid inimesed selle aine kohta?

K: Kuidas püüdsid füüsikud seda küsimust selgitada?

K: Mida näitas Michelsoni-Morley katse?

K: Kuidas me võime ette kujutada, mis juhtub, kui vaatleja sõidab paadiga, mis liigub läbi ookeanivoolu?

K: Mida ütleb meile suhteliste kiiruste kohta see, kui kujutleda ühest tähest teise liikuvat kosmoselaeva?

Otsing