Valo-eetteri: teoria, historia ja Michelson–Morleyn koe
Valo-eetteri: teoria ja historia — Michelson–Morleyn koe, sen tulokset ja vaikutus Einsteinin suhteellisuusteoriaan. Selkeä katsaus valon luonteeseen ja kokeelliseen todistukseen.
Valoeetteri (tai valon eetteri) oli historiallinen käsitys siitä, että avaruuden täytyy olla täynnä erityistä väliainetta, jonka kautta valoaaltojen oli ajateltu etenevän. Koska valo nähtiin aaltoilmiönä, ja kaikki tunnetut aaltoliikkeet vaativat väliaineen (esimerkiksi ääni ilman tai värähtelyt kiinteässä aineessa), oletettiin, että myös valon täytyy vaatia väliaine. Tästä syystä eetteriltä odotettiin erikoisia ominaisuuksia: sen tuli tukea valon poikittaista aaltoliikettä (eli olla "jäykkä" siten kuin esimerkiksi kiinteä aine voi tukea poikittaisia värähtelyjä), mutta sen samalla tuli olla niin vähän vuorovaikutuksessa tavallisen aineen kanssa, ettei planeettojen ja muiden kappaleiden liikkeet häiriintyisi.
Perusajatus ja intuitiivinen esimerkki
Yksinkertainen tapa ymmärtää, miksi eetteri ajateltiin olemassa olevaksi, on verrata valoa muihin aaltoihin. Kun tarkkailija matkustaa veneessä, joka liikkuu merivirran läpi, hän havaitsee veden aaltoliikkeiden suhteelliset nopeudet eri suunnissa muuttuvan veneen suhteen. Samoin luonnollinen oletus oli, että maapallon liike eetterin läpi muuttaisi valon havaittavaa nopeutta eri suunnissa.
Ajattele ajatuksellista avaruusalusta, joka liikkuu nopeudella, joka on puolet valonnopeudesta (0,5c), ja jolla on kaksi fotoninopeusmittaria: yksi taaksepäin ja toinen eteenpäin. Intuitiivisesti (klassisen, ei-relativistisen ajattelun mukaan) odottaisimme mittaavamme eri arvoja riippuen siitä, mitkä fotonit tulevat vastaan tai lähtevät taaksepäin. Erityisen tärkeä havainto modernin fysiikan kannalta on kuitenkin se, että erityisteorian mukaan molempien suuntausten valo mitataan aina samaksi arvoksi c. Tämä johtuu siitä, että valon nopeus on vakio kaikissa inertiaalikoordinaatistoissa ja klassinen nopeuksien yhteenlasku ei päde valon tapauksessa.
Historia ja kokeelliset odotukset
1800-luvulla monet fyysikot — muun muassa Augustin-Jean Fresnel ja muut — yrittivät sovittaa valon aalto-opin Maxwellin sähkömagneettisten ilmiöiden kanssa käyttämällä eetteriä. Myös tähtitieteelliset havainnot, kuten Bradleyn tähtien aberratio, keskustelivat eetterin vaikutuksista, ja Fizeaun koe osoitti niin kutsuttua Fresnelin vetovakautusta osittaisesta eetterin ”kuljetuksesta” liikkuvassa aineessa.
Michelson–Morleyn koe
Vuonna 1887 Albert A. Michelson ja Edward W. Morley suorittivat kuuluisan kokeensa, jossa he käyttivät tarkkaa interferometriaa havaitakseen maapallon liikkeen vaikutuksen valon kulkuun eetterin suhteen. Michelsonin ja Morleyn koe perustui oletukseen, että valon nopeus riippuisi maapallon nopeudesta suhteessa eetteriin; kokeella oli tarkoitus mitata pieni vaihe- tai viive-ero kahden kohtisuoran valopolun välillä, joka muuttuisi, kun mittauslaitteen suuntaa käännettiin tai kun maa liikkuu radallaan. Kokeen ennustettu siirtymä (jos eetteri olisi olemassa sellaisena kuin oletettiin) jäi kuitenkin havaitsematta: tulos oli niin sanottu nollatulos, käytännössä ei havaittavaa eroa. Se osoitti, ettei valoa säteilevää eetteriä ole olemassa.
Tämä nollatulos aiheutti fysiikassa vakavan teoreettisen kriisin: Maxwellin yhtälöt ennustivat valonnopeuden vakiona, mutta klassinen Galilein suhteellisuusteoria ei. Seurauksena syntyivät yritykset selittää tulos esimerkiksi Lorentz–FitzGeraldin kontraktioteorialla (eli ajatuksella, että liikkuvat kappaleet lyhenevät hieman liikkeen suunnassa), kunnes Albert Einstein esitti vuonna 1905 ratkaisun, joka ei vaatinut eetteriä: erityisteoria.
Seuraukset ja erityisteoria
Einsteinin erityisteoria perusti luonnonlait kahteen postulaattiin, joista toinen on, että valon nopeus tyhjiössä on sama kaikille inertiaalihavaitsijoille, riippumatta havaitsijan liikkeestä tai valon lähteen liikkeestä. Tämä selitti Michelson–Morleyn nollatuloksen luonnollisesti ilman tarvetta eetterille. Erityisteoria muutti käsityksemme ajasta, avaruudesta ja nopeuksien yhteenlaskusta ja johti Lorentzin muunnosten ymmärtämiseen fysiikan perusrakenteena.
Myöhemmin käsitys klassisesta valoeetteristä jäi fysiikasta pois. Tämä ei kuitenkaan tarkoita, etteikö avaruudessa olisi mitään "taustaa" — nykyfysiikassa kenttäteoriat ja kvanttikenttäteoria kuvaavat, että avaruus ei ole tyhjä, vaan sitä kuvaavat esimerkiksi sähkömagneettiset kentät, kvanttikenttien nollapisteenergia ja niin edelleen. Nämä ilmiöt eivät kuitenkaan vastaa klassista ideaalia eetteriä, jolla olisi absoluuttinen lepotila ja jonka suhteen liikettä voitaisiin mitata.
Viimeaikainen tutkimus
Nykyään valon nopeuden isotropiaa ja suhteellisuuden periaatteita testataan paljon tarkemmilla kokeilla kuin Michelson ja Morley pystyivät tekemään. Modernit kokeet käyttävät esimerkiksi ultratarkkoja optisia resonattoreita, atomikelloja, satelliittimittauksia (kuten GPS-järjestelmän toimivuus) sekä maapallon liikkeen vaikutuksen etsimistä kokeellisilla mittauksilla. Nämä kokeet ovat rajoittaneet mahdolliset poikkeamat valon nopeuden vakioisuudesta erittäin pieniksi — usein erittäin pieneen murtolukuosaan, kuten osissa 10^−15–10^−18 tai parempaan riippuen kokeen tyypistä. Tämän vuoksi nykytiede katsoo, että valon nopeus tyhjiössä on vakio ja isotrooppinen kaikkiin suuntiin nähden, ja klassinen valoeetteriteoria ei ole tarpeellinen ilmiöiden selitykseen.
Lyhyesti: historiallinen valoeetteri oli järkeenkäypä yritys selittää valoaaltojen kulku ennen Maxwellin ja Einsteininkin aikaista teoriaa, mutta kokeet — erityisesti Michelson–Morleyn koe — yhdistettynä teoreettiseen kehitykseen johtivat käsitykseen, jonka mukaan valon nopeus on perusvakio ja eetteri klassisessa merkityksessä ei ole olemassa.
Punainen avaruusalus liikkuu keltaisesta tähdestä kohti sinistä tähteä. Alareunassa näkyy molemmista tähdistä tulevan valon nopeusmittarit.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mitä on valovoimainen eetteri?
V: Valoa tuottava eetteri on aine, jonka uskottiin aikoinaan täyttävän maailmankaikkeuden ja selittävän, miten valoaaltojen siirtyminen voi tapahtua. Ihmiset uskoivat, että valo on eräänlainen aalto ja että sen on kuljettava jonkinlaisen väliaineen läpi, jotta sen nopeus olisi johdonmukainen.
K: Mitä ihmiset uskoivat tästä aineesta?
V: Ihmiset uskoivat, että tällä aineella täytyi olla hyvin alhainen viskositeetti, jotta se ei hidastaisi planeettojen liikkeitä ja saisi niitä lopulta putoamaan aurinkoihinsa. He uskoivat myös, että sen avulla voitaisiin selittää, miksi valo kulkee niin suurilla nopeuksilla.
Kysymys: Miten fyysikot yrittivät selventää tätä kysymystä?
V: Fyysikot tekivät kokeita, kuten Michelsonin ja Morleyn kokeen, yrittäessään selvittää, oliko valolla todella näkymätön väliaine, jonka läpi valo kulkee.
K: Mitä Michelson-Morleyn koe osoitti?
V: Michelsonin-Morleyn koe osoitti, että ei ole olemassa mitään väliaineita, joiden läpi valo kulkisi, mikä osoittaa, että valoa tuottavaa eetteriä ei ole olemassa.
K: Miten voimme kuvitella, mitä tapahtuu, kun havaitsija matkustaa veneessä, joka liikkuu merivirran läpi?
V: Jos havaitsija matkustaisi veneessä, joka kulkee merivirran läpi, hän voisi havaita muutoksia aaltojen kulkunopeudessa sen mukaan, mikä on niiden suhde virtaukseen.
K: Mitä suhteellisista nopeuksista kertoo se, että kuvittelemme avaruusaluksen matkustavan tähdeltä toiselle?
V: Jos kuvitellaan hyvin nopea avaruusalus, joka matkustaa puolet valon nopeudesta tähdestä toiseen, nähdään, että molempien fotonien nopeus mitataan 300 000 km/s riippumatta liikkeestä tai suunnasta - mikä osoittaa, että nopeudet eivät muutu suhteessa avaruusaluksen liikkeeseen.
Etsiä