Ανδρέας Ιωάννου Κασσέτας

Μια από τις πιο γόνιμες αποτυχίες στην Ιστορία της Φυσικής

1. Αιθέρας

Στα τέλη του 19^ου αιώνα ο Αιθέρας έχει εδραιωθεί στην κλασική Φυσική και έχει γίνει ένα είδος αμετακίνητης αλήθειας. Και αυτό διότι πέρα όμως από την αναλογία με τα υδάτινα και με τα ηχητικά κύματα υπήρχε και ένας ακόμα διαισθητικός λόγος που εδραίωνε τη βεβαιότητα της ύπαρξης του .

Η ιδέα ότι «στο κενό είναι δυνατόν να υπάρξει αλληλεπίδραση» είναι ξένη προς την καθημερινή εμπειρία και όπως είχε πει ο Αϊνστάιν το 1936 «το σύνολο της επιστήμης δεν είναι παρά μία εκλέπτυνση των καθημερινών μας σκέψεων» . Το μοντέλο πρόσφερε ένα μέσο για τη διάδοση του φωτός, το οποίο - μέσο - ήταν ανεξάρτητο από την πηγή και τον παρατηρητή, όπως ακριβώς ο αέρας αποτελεί το μέσο για τη διάδοση του ήχου.

2. 1887, ο Albert Michelson

Δεν πρέπει κάποτε να διαπιστώσουμε ότι ο Αιθέρας τελικά « ΥΠΑΡΧΕΙ» ;

Αφού ο Αιθέρας ήταν τόσο θεμελιώδης θα έπρεπε να υπάρχει και τρόπος ανίχνευσής του διαφορετικά θα ήταν ΕΝΑ ΠΕΡΙΤΤΟ ΜΕΤΑΦΥΣΙΚΟ ΦΟΡΤΙΟ. Η καθιερωμένη μέθοδος ήταν η μέτρηση της ταχύτητας του φωτός από την κινούμενη Γη. Λογικά η Γη ΔΕΝ ΕΙΝΑΙ ΑΚΙΝΗΤΗ ως προς τον Αιθέρα. Ταξιδεύει με ταχύτητα 30 περίπου χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο κατά την περιφορά της γύρω από τον Ήλιο. Οι αιθερικές θεωρίες του φωτός και του Ηλεκτρομαγνητισμού είχαν αναπτυχθεί από τη σκοπιά ενός παρατηρητή ΑΚΙΝΗΤΟΥ ΩΣ ΠΡΟΣ ΤΟΝ ΑΙΘΕΡΑ και η τιμή των 300000 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο αναφερόταν στην ως προς τον Αιθέρα ταχύτητα του φωτός.

Λόγω όμως της κίνησης της Γης η τιμή της ταχύτητας του φωτός -την οποία μετρούν οι φυσικοί της Γης- θα πρέπει θεωρητικά να εξαρτάται από την κατεύθυνση από την οποία έρχεται το φως. Καθώς το φως έρχεται ΠΡΟΣ τη Γη με αντίθετη κατεύθυνση από εκείνη της κίνησής της, η φαινομενική του ταχύτητα θα πρέπει να είναι πιο μεγάλη από την «πραγματική» του ταχύτητα, την 300000 km/s, την ταχύτητα δηλαδή ως προς τον Αιθέρα. Αν πάλι μετρήσουμε την ταχύτητα του φωτός το οποίο απομακρύνεται από τη Γη με την ίδια κατεύθυνση διάδοσης με εκείνη της κίνησης της Γης, η φαινομενική του ταχύτητα θα πρέπει να είναι πιο μικρή από την «πραγματική» του ταχύτητα. Τα σχετικά πειράματα που έγιναν προς το τέλος του 19^ου αιώνα είχαν ως στόχο να μετρήσουν τη ΔΙΑΦΟΡΑ των δύο τιμών και ήταν πρωτοποριακά. Παρόλα αυτά τα πειράματα ένα προς ένα γνώριζαν την αποτυχία. Η τιμή της ταχύτητας του φωτός που προέκυπτε από τις μετρήσεις ήταν ΙΔΙΑ με εκείνη των 300000 km/s που θα είχε το φως εάν η Γη ήταν ακίνητη ως προς τον Αιθέρα.

Το πρώτο από τα σχετικά πειράματα έγινε το 1887 στις Ηνωμένες Πολιτείες από τον Albert Michelson, σε συνεργασία με τον Edward Morley,

αλλά το ακριβέστερο πείραμα έγινε δέκα χρόνια αργότερα.

Οι δύο συνεργάτες είχαν φροντίσει για όλα . Θα περίμενε κανείς ένα σαφές και πειστικό αποτέλεσμα, αλλά δεν διαπιστώθηκε καμία διαφορά στις ταχύτητες.

Και αυτό όμως το πείραμα έδειξε ότι καμία διαφορά στις τιμές της ταχύτητας του φωτός δεν μπορούσε να μετρηθεί. Η μόνη λογική εξήγηση ήταν ότι η Γη ήταν ακίνητη μέσα στον ΩΚΕΑΝΟ - ΑΙΘΕΡΑ αλλά η κίνηση της Γης δεν μπορούσε να αμφισβητηθεί. Το μοντέλο Αιθέρας ήταν σε κρίση.

3 . Η αποτυχία έχει ενδιαφέρουσες συνέπειες. Lorentz και Einstein

Η «αποτυχία» του πειράματος πρόσφερε σε φυσικούς την ευκαιρία να αναρωτηθούν. Οι περισσότεροι στράφηκαν σε προσπάθειες για τη συμφιλίωση του αποτελέσματος του πειράματος με τις εξισώσεις MAXWELL και για τη «διάσωσης της έννοιας Αιθέρας.

Η τιμή της διαφοράς χρόνου την οποία ανέμεναν να παρατηρήσουν στο πείραμα του 1887 ο Michelson και ο Morley δεν ήταν μεγάλη, ήταν όμως σημαντικά μεγαλύτερη από το πειραματικό σφάλμα. Έτσι όταν εκτέλεσαν το εξαιρετικό πείραμα και διαπίστωσαν ότι δεν εμφανίζεται χρονική διαφορά αισθάνθηκαν αμηχανία.

Μια λογική εξήγηση ήταν ότι κάποια από τις βασικές παραδοχές ήταν εσφαλμένη.

Δύο χρόνια αργότερα ο Ιρλανδός φυσικός Georges Francis FitzGerald υποστήριξε ότι το αρνητικό αποτέλεσμα του πειράματος μπορεί να εξηγηθεί με την απλή παραδοχή ότι

ο βραχίονας του συμβολόμετρου ΣΥΣΤΕΛΛΕΤΑΙ κατά τη διεύθυνση της κίνησης

κατά έναν παράγοντα Ö(1- υ²/c² ) . Δηλαδή ένας βραχίονας που έχει μήκος 1 m όταν είναι ΚΑΘΕΤΟΣ στην ταχύτητα υ, θα έχει μήκος Ö(1- υ²/c² ) όταν είναι ΠΑΡΑΛΛΗΛΟΣ προς αυτήν.

Τρία χρόνια αργότερα εμφανίστηκε στο προσκήνιο ένας από τους μεγαλύτερους θεωρητικούς φυσικούς της εποχής, ο Hendrik Antoon Lorentz , ο οποίος επανέφερε την ΥΠΟΘΕΣΗ για τη ΣΥΣΤΟΛΗ ΤΩΝ ΜΗΚΩΝ. Είναι μάλιστα πιθανόν να κατέληξε σε αυτήν ανεξάρτητα δεδομένου ότι η δημοσίευση του FitzGerald δεν ήταν ευρέως γνωστή. Το 1892 διαμόρφωσε μια ΓΕΝΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗΣ στην οποία ΥΠΕΘΕΣΕ ότι ΟΛΑ ΤΑ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΑ - σε ένα σύστημα που κινείται σε σχέση με τον ΑΙΘΕΡΑ -ΣΥΣΤΕΛΛΟΝΤΑΙ κατά ένα παράγοντα Ö(1- υ²/c² ) . Πρότεινε επιπλέον την υιοθέτηση της ιδέας ότι οι τιμές της ΜΑΖΑΣ και των ΧΡΟΝΙΚΩΝ ΔΙΑΣΤΗΜΑΤΩΝ, ΔΙΑΣΤΕΛΛΟΝΤΑΙ κατά έναν ανάλογο συντελεστή. Χρειάζεται να πολλαπλασιαστούν με έναν παράγοντα μεγαλύτερο της μονάδας, τον 1/ (Ö1- υ²/c^2.) .

Η διαστολή του χρόνου δεν επηρεάζει το πείραμα Michelson - Morley καθώς, αντίθετα από τη συστολή των μηκών η διαστολή του χρόνου είναι ΙΔΙΑ και στην κάθετη και στην παράλληλη διαδρομή.

Μολονότι η υπόθεση του έδειχνε πως όταν τα αντικείμενα κινούνται με ταχύτητες κοντινές στην ταχύτητα του φωτός ΣΥΜΒΑΙΝΟΥΝ ΠΕΡΙΕΡΓΑ ΠΡΑΓΜΑΤΑ , η υπόθεση αυτή ΔΕΝ ΑΠΟΤΕΛΟΥΣΕ ΠΡΟΚΛΗΣΗ προς τις παραδοσιακές έννοιες του χώρου και του χρόνου. ΗΤΑΝ ΑΚΛΟΝΗΤΗ Η ΠΕΠΟΙΘΗΣΗ ότι «ορισμένα φαινόμενα εξαρτώνται από την κίνηση μέσα στον ΑΙΘΕΡΑ» και ότι «μπορούσε κανείς να ξεχωρίσει με κάποια απόλυτη έννοια ένα σύστημα που κινείται από ένα σύστημα σε ηρεμία».

Μετά από μεγάλη προσπάθεια, το 1904 παρουσίασε τη λύση του προβλήματος. Το πρόβλημα ήταν να διατηρήσει τη μορφή των εξισώσεων Maxwell όταν αλλάζουμε σύστημα αναφοράς το οποίο ακινητούσε ως προς τον αιθέρα με ένα άλλο κινούμενο με σταθερή ταχύτητα ως προς το πρώτο.

Την αμέσως επόμενη χρονιά ο Albert Einstein θα μας προτείνει να εγκαταλείψουμε το μοντέλο Αιθέρας.

Αποδεχόμαστε ότι η υπόθεση «Η ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ ΕΙΝΑΙ ΣΤΑΘΕΡΗ ΓΙΑ ΟΛΑ ΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ» αποτελεί ΘΕΜΕΛΙΩΔΗ ΑΡΧΗ. Η αποδοχή αυτή μας απαλλάσσει από την ανάγκη να ερμηνεύσουμε τη διάδοση του φωτός με τη βοήθεια ενός μοντέλου που να στηρίζεται στον ΑΙΘΕΡΑ.

Albert Einstein , 1905

Ο Albert Abraham Michelson - γεννημένος το 1852 στην Ανατολική Ευρώπη από Εβραίους γονείς που μετανάστευσαν στις Ηνωμένες Πολιτείες όταν εκείνος ήταν δύο ετών, - ένιωθε Αμερικανός και υπηρέτησε στο αμερικανικό ναυτικό. Από νωρίς γοητεύθηκε από τις ιδέες των Ευρωπαίων για τη ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΤΑΧΥΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ. Το 1879 αποφάσισε επισκέφτηκε την Ευρώπη προκειμένου να διδαχθεί τα της σύγχρονης οπτικής . Έμεινε περισσότερο στο Βερολίνο και στο Παρίσι όπου είχε διατηρηθεί και ο απόηχος από τις ευφυέστατες μετρήσεις της ταχύτητας του φωτός από τον Fiseau και τον Foucault . Ειδικά η μέθοδος του Foucault τον σαγήνευσε. Επιστρέφοντας στην Αμερική αφοσιώθηκε τελικά στο πάθος του : μια ακριβής μέτρηση για την ταχύτητα του φωτός.

Μολονότι έχει συνδεθεί κυρίως με το διαβόητο πείραμα, ο Albert Michelson, υπήρξε ένας από τους χαρισματικούς πειραματικούς φυσικούς της γενιάς του. Οι έρευνες του σε οπτικά όργανα μεγάλης ακρίβειας, στη φασματοσκοπία και στη μετεωρολογία είχαν τέτοια ποιότητα που το έτος 1907 προτάθηκε για το βραβείο Νόμπελ. Ήταν η πρώτη φορά που το βραβείο δινόταν σε Αμερικανό υπήκοο.