Eksperyment Michelson1.doc

Eksperyment Michelsona-Morleya

    Eter nie miał żadnego wpływu na prędkość światła. Michelson i Morley doszli do wniosku, że albo prędkość światła jest stała niezależnie od tego, czy światło biegnie z prądem, czy pod prąd otaczającego Ziemię hipotetycznego eteru, lub że tego eteru po prostu nie ma. To jedno z 7 najsłynniejszych doświadczeń w fizyce światowej.

    Po pobycie w Europie, w latach 1881-1882 Albert Michelson był już uznanym w świecie naukowym autorytetem, szczególnie w sprawie pomiaru prędkości światła i został poproszony przez Newcomba, aby powtórzył jeszcze raz swoje pomiary i wyznaczył tym razem prędkości różnych

barw światła w powietrzu, wodzie i dwutlenku węgla. Niestety cały sprzęt potrzebny do pomiarów wcześniej zgromadzony przez Michelsona podczas jego nieobecności w Annapolis został, nazwijmy to delikatnie, zdekompletowany. Za pieniądze pochodzące z Narodowej Akademii Nauk Michelson wykonał pomiary wzdłuż linii kolejowej łączącej Nowy Jork, Cleveland i St. Luois. Metoda pomiaru była ta sama co w 1879 r. w Annapolis, też użył wirującego z częstotliwością 128 obrotów na sekundę zwierciadła, a pomiar odbył się na odległości 2049,5253 stóp, czyli około 610 m. Końcową serię 23 pomiarów przeprowadził między 12 października a listopadem 1883 r. Wyniki swoich pomiarów przedstawił szerokiemu gremium podczas 54 konferencji British Association for The Advancement of Science, odbywającej się w Montrealu 2 września 1884 r. Z pomiarów wynikało, że  prędkość światła w próżni miała wartość 299 853 km/s, a błąd Michelson oszacował na 60 km/s. Ta wartość była uznana za standardową prze 45 lat, aż do jego kolejnego pomiaru  prędkości światła z 1926 r.  
    Lord Rayleigh zaprosił Michelsona w październiku 1884 r. do Baltimore, gdzie serię 20 otwartych wykładów na John Hopkins University prowadził Lord Kelvin (ten od skali temperaturowej). Zarówno on, jak i wielu innych fizyków było pod wrażeniem jego pięknego berlińskiego eksperymentu i Michelson cieszył się już dużą reputacją w świecie naukowym. Tenże lord Kelvin oraz lord Rayleigh poprosili go, aby zbadał wpływ ruchu ośrodka na prędkość światła, czyli zbadał, mówiąc prościej, czy do prędkości światła można dodać prędkość np. poruszającego się powietrza, wszechobecnego eteru, czy wody, w której rozchodzi się światło, tak jak to czynimy z prędkościami łódki i nurtu rzeki, gdy łódką płyniemy z prądem lub pod prąd. Takie badanie jako pierwszy przeprowadził francuski uczony Fizeau w 1851 r., ale wyniki nie były zbyt dokładne.
Do gruntów zajmowanych przez Case School of Applied Science w Cleveland, w której pracował Michelson przylegał obszar zajmowany przez miejscowy uniwersytet Western Reserve University.     Po drugiej stronie drogi, kilkanaście metrów od laboratorium Michelsona, znajdował się Adelbert Hall, w którym pracował chemik Edward Williams Morley (1838-1923). Dość szybko się poznali, a ich wspólne zainteresowania naukowe spowodowały, że często ucinali sobie bardzo długie rozmowy. Razem wyjeżdżali na spotkania naukowe, byli obaj na konferencji w Montrealu i na wykładach Kelvina w Baltimore. W miarę jak bliżej się poznawali, rosła ich wzajemna sympatia i szacunek, chociaż zewnętrznie różnili się bardzo, można nawet powiedzieć, że byli przeciwieństwami.

    Byli obaj wytrwali, dociekliwi, drobiazgowi, potrafili wymyślać i konstruować bardzo precyzyjne przyrządy do przeprowadzenia swoich przemyślanych doświadczeń.
    Michelson wspomniał Morleyowi o prośbie lordów Kelvina i Rayleigh,a, a ten od razu wyraził chęć współpracy. Po kilku tygodniach dobrze układającej się współpracy niespodziewanie 19 września 1885 r. Michelson przyszedł do laboratorium zasmucony, w stanie skrajnego wyczerpania i poprosił Morleya, aby ten samodzielnie dokończył zestawianie aparatury i wykonał samemu doświadczenie, bowiem on musi ze względu na stan zdrowia opuścić Cleveland i przynajmniej przez rok odpocząć. Wręczył mu jeszcze 76$, jakie zostały mu z państwowych pieniędzy, dodając jeszcze od siebie 100$ na zakupy niezbędnego sprzętu. O bardzo złym stanie psychicznym Michelsona Morley opisał swojemu ojcu w liście, w którym wątpił w powrót Michelsona kiedykolwiek do pracy. Michelson natychmiast wyjechał do Nowego Jorku na leczenie do specjalisty od chorób nerwowych dra Allana Hamiltona. Według opinii tego lekarza, Michelson miał taki temperament, że na wszystko reagował za emocjonalnie, proste zwykłe zdarzenia brał zbyt dosłownie i to źle wpływało na stan jego systemu nerwowego. Na to nałożyło się jeszcze przepracowanie i nie najlepsze niestety stosunki z żoną Margaret. Trudno orzec, czy przyczyna tych złych stosunków była po stronie Michelsona czy po stronie żony, ale zdaje się, że to była główna przyczyna tych jego psychicznych kłopotów.
    W grudniu 1885 r. dr Hamilton skończył leczenie i Michelson dość niespodziewanie całkowicie wyzdrowiał, powrócił do domu w Cleveland, ale już zupełnie jako inny człowiek. Z bardzo wesołego, otwartego i ufającego ludziom człowieka zmienił się w osobnika podejrzliwego, cynicznego, zamkniętego w sobie. Jak wrócił do domu, kazał służącemu Józefowi (Murzynowi) przenieść swoje rzeczy do osobnego pokoju, winą bowiem za swoje kłopoty zdrowotne obarczał żonę i nie potrafił jej wybaczyć rzeczywistych czy też urojonych jej przewinień. Formalnie ich małżeństwo jeszcze trwało trzynaście lat, ale właściwie małżeństwem jako takim od tego momentu już nie byli.
    Sensem i celem jego życia, tak mu się w tym trudnym momencie wydawało, była praca i jeszcze raz praca oraz przebywanie wśród ulubionych czterech ścian laboratorium fizycznego. Ze zdwojoną zatem siłą powrócił do badania wpływu poruszającej się materii na wartość prędkości światła.  
Stosunki między małżonkami z czasem nieco się poprawiły, i aby jeszcze bardziej je poprawić, postanowili latem 1886 r. odwiedzić rodzinę Michelsona w Kalifornii. Niestety rodzice Michelsona już nie mieszkali w Virginia City, lecz przenieśli się do wygodnego domu w San Francisco przy Webster Street. Przywitano ich iście po królewsku, dziadkowie ucieszyli się z wnucząt i spędzali z nimi sporo czasu uatrakcyjniając im pobyt w San Francisco. Rozmowom nie było końca, bowiem u każdego członka rodziny zaszły duże zmiany i wszyscy dzielili się wiadomościami. Siostry Alberta Paulina i Julia były nauczycielkami, Miriam pisała kolejne odcinki historii San Francisco stawiając tym samym pierwsze kroki literackie, natomiast piękna Bessie miała romans ze zdolnym pisarzem  Arturem McEwnem.
    Mimo że wizyta przebiegała w miłej atmosferze i z wieloma atrakcjami, Michelson zaczął szybko tęsknić za pracą w laboratorium i już w sierpniu cała rodzina powrócila do Cleveland.
    Rankiem, a właściwie o 230 w nocy 27 października 1886 r. wybuchł pożar, który poczynił ogromne szkody w majątku szkoły. Przerażeni studenci mieszkający na terenach przylegających do siebie Case School of Applied Science oraz Western Reserve University rzucili się do ratowania dobytku szkoły. Część z nich udała się do południowego skrzydła szkoły, gdzie znajdowało się laboratorium Michelsona, by ratować sprzęt, materiały i książki. Szkoła w wyniku pożaru poniosła straty oszacowane na 165.000$, tylko w samym sprzęcie fizyczno-chemicznym straty sięgały 30.000$. Michelson, podobnie jak wszyscy, był załamany tym nieszczęściem, ale Morley pocieszał go i zaproponował mu, aby zrekonstruował swój sprzęt w jego  nieopodal znajdującym się laboratorium.
    Wiadomym było, że odbudowa laboratorium zajmie sporo czasu i pochłonie ogromne środki, których szkoła nie posiadała, a Michelson nie zamierzał czekać. Skorzystał więc z propozycji Morleya i ze zdwojoną energią przystąpili do przygotowania eksperymentu, którego celem było sprawdzenie, czy światło rozchodzi się z tą samą prędkością, gdy biegnie pod prąd czy z prądem wszechobecnego ośrodka wypełniającego cały wszechświat - eteru.
    Tenże eter występuje w pracach wielu fizyków, wszyscy oni uważali eter za ośrodek będący zupełnie przezroczystym, absolutnie nieruchomym względem gwiazd stałych, wypełniającym całą przestrzeń kosmiczną, o znikomo małej gęstości. Maxwell napisał do 9 wydania Encyclopaedia Britannica artykuł Ether, w którym niejako podsumował dotychczasową wiedzę o eterze. Z tego artykułu wynikało, że większość mu współczesnych naukowców, nie tyko fizyków, ale i matematyków, była głęboko przekonanych o istnieniu eteru:   - Nie ma żadnych wątpliwości, że przestrzeń międzyplanetarna i międzygwiazdowa nie jest pusta, lecz wypełnia ją materialna substancja lub ciało, które z pewnością jest największym i zapewne najbardziej jednorodnym ciałem jakie znamy.
    Michelson z Morleyem chcieli wykazać wpływ tego właśnie eteru na wartość prędkości światła. W tym celu całą aparaturę optyczną, w tym słynny interferometr, umieścili na kamiennym bloku pływającym z korycie wypełnionym rtęcią, aby zapobiec drganiom. Cała aparatura była bardzo ciężka, ale dzięki temu, że pływała w rtęci, stawiała niesamowicie mały opór, gdy trzeba było ją obrócić o pewien kąt, by sprawdzić czy zmieniony kierunek nie wpłynął na wartość prędkości światła. Dokonali tysięcy obserwacji w południe i o szóstej wieczorem, dzień po dniu, dla szesnastu różnych kierunków, podczas, gdy Ziemia stale zmieniała swoje położenie i nie zaobserwowali żadnego wpływu na wartość prędkości światła.
    Ta ich praca opublikowana w listopadzie 1887 r. jest najsłynniejszą pracą naukową Michelsona i jedną z najważniejszych prac naukowych w historii fizyki. Kiedy szukałem prac Michelsona i dotarłem do biblioteki Uniwersytetu Warszawskiego i poprosiłem rocznik American Journal of Science z 1887 r. zawierający tę właśnie pracę, to zbiór otworzył się sam na tej stronie, tyle razy był on na tej pracy otwierany, a i kartki wyglądały na mocno zniszczone. P. Kapica, rosyjski fizyk noblista, to doświadczenie Michelsona-Morleya uważa za jedno z 7 najważniejszych doświadczeń w dotychczasowej historii fizyki. I rzeczywiście nie napisano chyba więcej prac na temat żadnego innego doświadczenia niż to, nie toczono tylu - można by rzec nawet zażartych sporów - o wynik żadnego innego doświadczenia, niż o wynik tego w gruncie rzeczy negatywnego doświadczenia. Michelson i Morley bowiem doszli do wniosku, że albo prędkość światła jest stała, niezależnie od tego, czy światło biegnie z prądem, czy pod prąd otaczającego Ziemię hipotetycznego eteru lub że tego eteru po prostu nie ma.
    Michelson tak był zaskoczony tym negatywnym wynikiem, że początkowo nie mógł w to uwierzyć. Uważał, że trzeba poprawić pomiary, udoskonalić zestaw pomiarowy, bo przecież eter musi istnieć. Podobnie jak on myślała zdecydowana większość ówczesnych fizyków. Dopiero geniusz A. Einsteina rozstrzygnął ten problem w 1905 r.

 Tomasz Kardaś
Pałuki i Ziemia Mogileńska nr 826 (50/2007)