etar?

1. Ideja o stacionarnom eteru

Još mnogo godina pre preciznog merenja brzine svetlosti bilo je poznato da je za prostiranje zvučnih, odnosno mehaničkih talasa, neophodno postojanje neke sredine kroz koju bi isti putovali. Postojanje sredine kroz koju talas putuje uslovljeno je time što se talas prostire prenošenjem vibracija sa jedne čestice na drugu. Kao posledica neophodnosti postojanja sredine bilo je poznato da zvučni talasi ne mogu da putuju kroz vakum, a to je i eksperimentalno potvrđeno. Druga vrsta svima poznatih talasa bili su vodeni talasi za čije je prostiranje bila neophodna voda, ovi talasi bez vode koja ih je nosila nisu mogli da postoje. Nakon svega ovoga potpuno je razumljivo zašto su ljudi smatrali da je i za prostiranje svetlosti, odnosno elektromagnetnih talasa, neophodno postojanje neke sredine kroz koju bi ovi putovali, odnosno mora da postoji neka supstanca šije bi čestice vibrirale i na taj način prenosile svetlosni talas.

Ali nasuprot ideji o postojanju neke supstance koja je ispunjavala celokupan prostor univerzuma, pouzdano se znalo da u ogromnom prostranstvu između planeta i zvezda nema nikakvog medijuma, ceo taj prostor bio je vakum. Niko nije mogao da poveruje da svetlost putuje 150 miliona kilometara od Sunca do Zemlje kroz prazan prostor, niko nije verovao da za prostiranje svetlosti nije potreban nikakav medijum, pa su za tog hipotetičkog prenosioca svetlosti stvorili posebnu reč i nazvali su ga lumeniferoznim (svetlosnim) eterom. Prema toj ideju eter je postojao svuda gde su svetlosni talasi putovali, i ispunjavao je sav vasionski prostor koji su do tada svi smatrali da je prazan.

Ideja o postojanju etera je svima delovala vrlo logičnom i ubrzo je eter prihvaćen kao jedan od materijala u vasioni. Neki naučnici su čak išli toliko daleko da su pokušavali da izračunaju gustinu etera!

Godine 1864. pojavila se potpuno neočekivano dodatna potvrda za postojanje etera. Te godine je Maksvel objavio rezultate svojih matematičkih istraživanja električnih vibracija. On je pokazao da bi neke električne vibracije mogle izazvati stvaranje električnih talasa koji bi putovali kroz prostor, a izračunao je i brzinu kojom bi ti trebali da se kreću, dobijena vrednost za brzinu bila je jednaka izmerenoj brzini svetlosti. Na osnovu svojih istraživanja Maksvel je kasnije, potpuno ispravno, zaključio da svetlost nije ništa drugo neko jedan specijalan tip njegovih elektromagnetnih talasa. Godine 1887. Herc je eksperimentalno potvrdio Maksvelovo matematičko predviđanje postojanja elektromagnetnih talasa.

Sada je problem postojanja medijuma kroz koji putuju elektromagnetni talasi bio još ozbiljniji. Naučnici su verovali da mora da postoji neki medijum gde bi boravila električna i magnetna polja, nije se moglo zamisliti da ta polja postoje u vakuumu. Smatralo se da je za prostiranje elektromagnetnih talasa bilo neophodno postojanje nekog medijuma koji bi ih nosio, a jedini logičan medijum bio je eter.

Razumljivo je očekivati da su naučnici tog vremena probali da detektuju eter. Smatralo se da ako bi eter postojao on bi morao da ispunjava sav vasionski prostor, a na osnovu toga zaključeno je da bi on trebao da bude jedina stvar koja se ne kreće.

Sve ideje o postojanju etera bile su vrlo obične i lako prihvatljive, trebalo je još samo detektovati taj eter.

Ako se bi se nalazili na brodu koji plovi morem i želimo da znamo da li se brod kreće ili ne ona sve što treba da uradimo je da pogledamo da li se voda kreće uz brod ili jednostavno da ispružimo ruku u vodu. Na sličan način naučnici su probali da provere da li se Zemlja kreće kroz eter ili ne, oni su probali da detektuju kretanje etera, ili kako su tu pojavu nazvali eterski vetar. Na nesreću eterski vetar nije moga da se detektuje samo jednostavnim pružanjem ruke u okolni prostor da bi se on osetio.

2. Očekivani efekt etera

Kao posledica eterskog vetra morali su da postoje neki efekti za kojima se uporno tragalo. Jedan od najčešće korišćenih efekata u pokušaju detekcije etra bio je vezan sa "pomeranje" svetlosnih talasa koji kroz eter putuju.

Pretpostavimo da u žiži jednog teleskopa uhvatimo jednu zvezdu u pravcu kojim se Zemlja kreće po svojoj orbiti. Dalje pretpostavimo da u teleskop ulaze dva svetlosna snopa koja su stigla sa zvezde. Sočiva teleskopa prelamaju ove zrake i oni se seku u žiži unutar teleskopa. Kako se posmatrač, zajedno sa celom planetom, kreće brzinom od 30 km/s ka zvezdi, oko posmatrača će stići u tačku gde je bila žiža u isto vreme kad i svetlosni snopovi stižu u tu tačku i posmatrač će videti zvezdu.

Kada posmatrač bude posmatrao istu zvezdu nakon šest meseci, kada se Zemlja bude nalazila na suprotnom kraju svoje orbite, a ne promeni fokus. Situacija će biti sasvim drugačija, Zemlja se sada udaljava od zvezde kroz eter brzinom od 30 km/s. Kako se sada teleskop i posmatrač udaljavaju od dolazećeg svetlosnog talasa posmatračevo oko neće više biti u tački žiže kada svetlosni snop tu stigne, kao posledica ovoga posmatrač neće videti oštru sliku zvezde.

Za ovim efektom se uporno tragalo ali niko nije uspeo da ga detektuje.

3. Majkelson-Morlijev eksperiment

Bez obzira na sve neuspehe u pokušaju detekcije etera niko nije dovodio u sumnju njegovo postojanje. Svi su smatrali da potreban mnogo osetljiviji eksperiment. Takav eksperiment zamislili su i izveli Majkelson i Morli 1881. godine.

http://razbibriga.net/clear.gif

Eksperiment koji su Majkleson i Morli izveli zasnivao se na vrlo jednostavnom principu. Ako bi smo zamislili takmičenje dva identična aviona. Neka ta dva aviona istovremeno krenu iz tačke A, jedan ka tački B a drugi ka tački C (vidi sliku). Prvi avion treba da leti na sever do tačke B a zatim nazad na jug do tačke A, a drugi na istok do tačke C a zatim nazad u pravcu zapada do tačke A. Pretpostavićemo još da se tačke B i C nalaze na istom rastojanju od A i neka to rastojanje iznosi 800 km. Ako bi maksimalna brzina oba aviona bila 1600 km/h i ako nema vetra lako je zaključiti da će trka završiti za jedan sat, nerešenim rezultatom.

Ako bi sada pretpostavili duva vetar sa istoka ka zapadu brzinom od 160 km/h, trka se ne bi završila bez pobednika, a pobednik bi bio prvi avion. Prvi avio bi pobedio iz razloga što bi drugom avionu vetar koji duva "u lice" dopustio da se kreće brzinom od 1440 km/h jer se njegova maksimalna brzina od 1600 km/h odnosi na miran vazduh. U povratku bi drugi avion imao vetar "u leđa" i njegova brzina bi sada bila 1760 km/h, ali kako više vremena provodi krećući se manjom brzinom njegova prosečna brzina bi bila manja od prvog aviona. Naravno, i prvi avion tokom celog puta ima bočni vetar koji malo skreće avion da bi kompenzovao uticaj vetra, pa vetar i ovde dovodi do usporenja, pa i prvi avion ima prosečnu brzinu nešto manju od 1600 km/h, ali veću od drugog aviona.

Ako bi se izračunala vremena putovanja oba aviona dobija se da prvi avion završava trku za 1h i 18 sec, a drugi za 1 h i 36 sec.

Lako se zaključuje da u slučaju da su pravac i brzina vetra nepoznati oni mogu da se odrede iz rezultata trke. Upravo na tom principu se zasniva i Majkleson-Morlijev eksperiment. Umesto dva aviona Majkelson i Morli su "organizovali" trku dva svetlosna talasa, koji su međusobno bili normalni.

Aparatura koja je korišćena u ovom eksperimentu prikazana je na slici. Aparatura je postavljena tako da se Zemlja kreće u desno i pri tome bi trebalo da se oseti "duvanje" eterskog vetra.

http://razbibriga.net/clear.gif

Svetlosni talas kreće od svetlosnog izvora, udara u poluposrebreno ogledalo koje deli talas na dva talasa podjednakog intenziteta. Talas A ide kroz poluposrebreno ogledalo do ravnog ogledala A, a talas B se reflektuje od poluposrebrenog ogledala do ogledala B. Ova dva pojedinačna talasa odgovaraju avionima iz prethodnog primera. Talas A se reflektuje od ogledala A i vraća nazad do poluposrebrenog ogledala gde se jedna njegova polovina reflektuje do mikroskopa (druga polovina prolazi kroz ogledalo i vraća se do izvora ali to nema značaja za rezultat eksperimenta). Talas B se na identičan način reflektuje od ogledala B, vraća do poluposrebrenog ogledala odakle opet jedna njegova polovina odlazi do posmatračevog mikroskopa. Posmatrač tada registruje oba talasa u mikroskopu i sve što sada preostaje je "foto-finiš".

Da bi se izvršila analiza završne pozicije i odredilo koji je talas "pobedio" koristi se jedna pojava zapažena kod talasnog kretanja koja se naziva interferencija. Ako dva talasa ulaze u mikroskop (slika) i ako su njihovi trbusi i doline poravnati (tj. talasi su u "fazi") dolazi do njihovog pojačavanja i posmatrač će videti svetliji talas od bilo kog od pojedinačnih. Ovakav rezultat se naziva konstruktivna interferencija. Ako bi se jedan talas našao neznatno ispred ili za drugog, posmatrač bi video nešto tamniji talas od dolazećih. Ovakav rezultat nazvan je parcijalna interferencija. Treća mogućnost koja moče na nastupi nazvana je destruktivna interferencija. Ovaj tip interferencije nastaje kada se bregovi jednog talasa poklope sa dolinama drugog i tada dolazi do međusobnog poništavanja ova dva talasa. Uređaj koji radi na principu interferencije naziva se inteferometar.

Majkelson i Morli su očekivali da će pod uticajem eterskog vetra doći do pomeranja talasa A i B tako da oni više ne budu u fazi, a posmatrač bi trebalo da vidi svetlost slabijeg intenziteta.

Majkelson i Morli su ovaj eksperiment izvršili više puta. Ponavljali su eksperiment u različito doba dana, i u različito doba dana i u različito doba godine, ali rezultati su uvek bili identični – eterski vetar nije detektovan.

Eksperiment Majkelsona i Morlija je kasnije ponavljan sa sve većom tačnošću , ali rezultati su uvek bili isti.

Na ovaj način moderna nauka je bespogovorno verifikovala zaključak Majkelsona i Morlija i sada je opšte prihvaćeno da se eter ne može detektovati.

4. Velika dilema

Situacija u nauci je postala prilično zamršena. Čvrsto se verovalo u postojanje etera, ali ne samo što su svi pokušaji da se eter detektuje završili neuspešno, nego su razlozi ponuđeni za objašnjenje neuspeha bili kontradiktorni i nepouzdani. Dakle, da li eter postoji ili ne ? Ako postoji, zašto ga ne možemo detektovati ? A ako ne postoji, zašto ne postoji ?

Upravo u takvoj klimi naučnog neraspoloženja i konfuzije dat je odgovor koji je dao veoma jedinstveno, i do tada nezamislivo, objašnjenje da je trebalo biti genije i videti ga. Taj genije bio je Albert Ajnštajn, a sa njim se rodila i Teorija relativnosti.