Istnieje wiele nieporozumień dotyczących szczególnej teorii względności Einsteina i jej historii. Chyba jeszcze więcej dotyczy jej poprzedniczki – teorii eteru – oraz rzekomo grzebiącego ją doświadczenia Michelsona-Morleya. Wiele z tych półprawd i nieprawd jest powtarzanych przez nauczycieli, podręczniki szkolne, a nawet przez wykładowców teorii względności. 

Poniższy tekst stanowi początek gościn­nego cyklu autor­stwa Michała Tar­now­skiego – studenta fizyki Uni­wer­sy­tetu War­szaw­skiego, entu­zja­sty historii nauki oraz czy­tel­nika Kwantowo. Mam nadzieję, że jego styl popu­la­ry­za­cji wiedzy przy­pad­nie wam do gustów i pozwoli na odsap­nię­cie od moich wypocin.

Historię STW i jej poprzed­ni­czek można zaczynać w bardzo różnych miej­scach. Naj­bar­dziej wyczer­pu­jący wywód miałby naj­wcze­śniej­szy możliwy start – jeszcze w pre­hi­sto­rii. Można przecież rozważać, jakie intuicje na temat światła i ruchu mają ludy pier­wotne albo zwie­rzęta. Naj­póź­niej­szy możliwy punkt wyjścia byłby dopiero w roku 1904 lub 1905, kiedy młody Albert Einstein zaczął pisać słynną pracę O elek­tro­dy­na­mice ciał w ruchu.

Artykuł popu­lar­no­nau­kowy nie jest naukową mono­gra­fią, dlatego nie musi być wyczer­pu­jący. Nie po­winien nawet taki być, żeby nie odstra­szyć czy­tel­nika obję­to­ścią ani nie zanudzić. Tym się różni np. od wykładu na żywo: prze­rwa­nie nudnej lektury jest dużo bardziej praw­do­po­dobne niż wyjście z nie­cie­ka­wego wykładu. Z drugiej strony sku­pie­nie się na samym Ein­ste­inie byłoby wtórne i mijałoby się z celem tego wpisu: poka­za­niem, na jak wielkim fun­da­men­cie budował urodzony w Niem­czech fizyk. Dlatego zde­cy­do­wa­łem się zacząć historię u progu fizyki nowo­żyt­nej, tj. w XVII w. Forma kalen­da­rium może wydawać się sucha, ale jest przej­rzy­sta.

1676
– duński astronom Ole Rømer publi­kuje astro­no­miczne dowody, że prędkość światła w próżni (od XX w. ozna­czana przez c) jest ogra­ni­czona. Wbrew powszech­nemu nie­po­ro­zu­mie­niu Rømer nie podał licz­bo­wej wartości c, a jedynie czas przelotu światła przez orbitę ziemską. Pierwsze znane szacunki c należą do Chri­stia­ana Huygensa. Wbrew innemu nie­po­ro­zu­mie­niu – Rømer znał promień orbity ziem­skiej (tzw. jed­nostkę astro­no­miczną), ale nie uważał licz­bo­wej wartości c za szcze­gól­nie istotną.

Uczeni, którzy umożliwili narodziny szczególnej teorii względności

Wyniki Rømera były ciepło przyjęte przez Newtona. Od II wydania Pri­nic­piów pisze w nich, że Słońce jest oddalone od Ziemi o ok. 8 minut świetl­nych. Mimo to znaleźli się krytycy: Robert Hooke oraz współ­pra­cow­nicy Rømera z pary­skiego obser­wa­to­rium kró­lew­skiego, jak Cassini i Picard. Alter­na­tywne wyja­śnie­nia obser­wa­cji Rømera zostały wyklu­czone dopiero w XVIII w. przez Lapla­ce’a.
1728
James Bradley obser­wuje aber­ra­cję gwiaz­dową i wyjaśnia ją przez ogra­ni­czoną prędkość światła. Skoń­czona wartość c zostaje powszech­nie przyjęta. Jego obser­wa­cje dowodzą też ruchu Ziemi względem gwiazd stałych – to pierwszy bez­po­średni dowód helio­cen­try­zmu Koper­nika. Geo­cen­tryzm jest do ura­to­wa­nia tylko przez gro­te­skowe zało­że­nie, że wszyst­kie gwiazdy krążą wokół Słońca.
1810
  – François Arago, tak jak więk­szość ówcze­snych fizyków, wierzy  w new­to­now­skie cząstki światła. Szuka różnicy w pręd­ko­ściach promieni pocho­dzą­cych z różnych gwiazd. Spo­dzie­wane różnice w aber­ra­cji gwiaz­do­wej byłyby za małe. Dlatego próbuje znaleźć różnice w pręd­ko­ści przez dys­per­sję – różne kąty zała­ma­nia dla promieni o różnej pręd­ko­ści.

Obser­wuje gwiazdy przez teleskop i pryzmat, ale nie znajduje żadnych różnic w pręd­ko­ści światła, mimo ruchu obie­go­wego Ziemi. Kon­klu­duje, że widocz­nie każda gwiazda wysyła pro­mie­nie o różnych pręd­ko­ściach, ale tylko jedna prędkość jest widoczna dla ludz­kiego oka. Pozo­stałe miałyby być np. niedawno odkry­tymi pro­mie­niami ciepl­nymi Her­schela (pod­czer­wie­nią) i pro­mie­niami che­micz­nymi Rittera (nad­fio­let).

1818Augu­stin­Fre­snel wyjaśnia doświad­cze­nie Arago przez falową teorię światła oraz hipotezę czę­ścio­wego wle­cze­nia eteru. Arago wykazuje się wielką uczci­wo­ścią inte­lek­tu­alną i zostaje prze­ko­nany. Hipoteza ma wiele słabych punktów, np. prze­wi­duje dys­per­sję tam,  gdzie jej nie ma. Eter jest przy tym trak­to­wany jako ciało stałe, a nie jako płyn. Tylko w ciele stałym mogą się roz­cho­dzić fale poprzeczne: z defi­ni­cji płyny nie wytrzy­mują tzw. momentów ści­na­ją­cych. Tylko poprzeczne fale światła potra­fiły wyjaśnić doświad­cze­nia Brew­stera z pola­ry­za­cją przez odbicie.

1845 – GeorgeStokes pro­po­nuje bardziej spójną teorię cał­ko­wi­tego wle­cze­nia eteru. Jak się potem okaże – również ona jest szyta bardzo grubymi nićmi.
1851
 – Hip­po­lyteFizeau mierzy prędkość światła w płynącej wodzie. Jego wyniki wydają się potwier­dzać Fre­sne­low­ską hipotezę czę­ścio­wego wle­cze­nia. Podobne doświad­cze­nie wykonuje w Holandii Van Hoek.
1871
 – GeorgeAiry sprawdza hipotezę Fresnela, obser­wu­jąc aber­ra­cję gwiaz­dową przez teleskop wypeł­niony wodą. Wbrew prze­wi­dy­wa­niom Fresnela – nie ma żadnych odstępstw od aber­ra­cji w zwykłym tele­sko­pie.
1881
 – AlbertMichel­son w Pocz­da­mie pod Berlinem, przy współ­pracy z labo­ra­to­rium Helm­holtza, używa swojego inter­fe­ro­me­tru do szukania wiatru eteru. Otrzy­muje nega­tywny wynik. Uważa to za potwier­dze­nie teorii Stokesa i obalenie teorii Fresnela. Inni naukowcy wytykają mu błędy.
1886
 – Michel­son i EdwardMorley powta­rzają doświad­cze­nie Fizeau z większą dokład­no­ścią. Wynik wydaje się potwier­dzać teorię Fresnela, a doświad­cze­nie Michel­sona okazuje się nie­do­kładne.
1887
, wiosna – WoldemarVoigt w Getyndze publi­kuje pracę mate­ma­tyczną o efekcie Dopplera i o wła­sno­ściach równania falowego. Znajduje trans­for­ma­cje współ­rzęd­nych, względem których to równanie jest nie­zmien­ni­cze. Voigt nie odnosi się wcale do doświad­czeń zwią­za­nych z eterem. Jego praca jest osobnym wątkiem, zwią­za­nym z STW w inny sposób.
1887
, lato – Michel­son i Morley w Cle­ve­land w stanie Ohio wykonują swoje słynne doświad­cze­nie. Nie znajdują żadnego wiatru eteru. Wyniki zdają się znowu potwier­dzać cał­ko­wite wle­cze­nie i negować wyniki sprzed roku.

Tych 11 wydarzeń pokazuje, jakim nie­po­ro­zu­mie­niem są często powta­rzane slogany:

1. Rzekome wpro­wa­dze­nie eteru przez teorię elek­tro­ma­gne­tyczną Maxwella. Ten błąd pojawia się w Krótkiej historii czasu Hawkinga czy nawet we Wszech­świe­cie i filo­zo­fii Hellera i Życiń­skiego. Eter miał długą historię od sta­ro­żyt­no­ści. Został powszech­nie uznany razem z falową teorią światła na początku XIX w., całe dekady przed teorią Maxwella. Ta ostatnia – odwrot­nie niż w popu­lar­nym micie – pomogła eter wyeli­mi­no­wać. Pole elek­tro­ma­gne­tyczne nie potrze­buje ośrodka, tak jak nie potrze­buje go pole gra­wi­ta­cyjne.

Dla jasności trzeba przyznać, że owszem, równania Maxwella suge­ro­wały pewien wyróż­niony układ odnie­sie­nia. W swojej pełnej postaci, z tzw. prądem prze­su­nię­cia w prawie Ampère’a, te równania nie mają symetrii Gali­le­usza. Wyróż­niony układ utoż­sa­miano z eterem, ale to nie jest logiczna koniecz­ność. Przy­kła­dowo Emil Cohn uważał, że równania elek­tro­dy­na­miki są speł­nione w idealnie iner­cjal­nym układzie gwiazd stałych. Jak się jednak okazało, teoria Maxwella zamiast symetrii Gali­le­usza ma symetrię Lorentza. Ta ostatnia jest w pełni fizyczna i nie ma wyróż­nio­nego układu odnie­sie­nia.

Tak więc teoria Maxwella począt­kowo utrwa­liła starą wiarę w eter, ale potem przy­czy­niła się do jej odrzu­ce­nia.

2. Rzekome obalenie eteru przez doświad­cze­nie Michelsona–Morleya. Ten błąd pojawia się w bardzo różnych miej­scach: od ama­tor­skiej ency­klo­pe­dii inter­ne­to­wej Rational Wiki przez polską Wiki­pe­dię (przed moją inter­wen­cją) do pół­po­pu­lar­nych wykładów prof. Jerzego Kijow­skiego. Michel­son i Morley uważali swój wynik za dowód jednego wariantu tej teorii – mia­no­wi­cie hipotezy Stokesa. Jej nie­słusz­ność była wskazana przez inne doświad­cze­nia, np. Fizeau. Morley i jego współ­pra­cow­nicy, np. Dayton C. Miller, szukali wle­cze­nia eteru jeszcze w latach 20. Jak się okaże – w odpo­wie­dzi na doświad­cze­nie MM zapro­po­no­wano bardzo wyra­fi­no­wane teorie eteru. Ich epigoni żyli jeszcze w latach 30., a nawet zdarzają się do dziś. Nic dziwnego, że na początku XX w. Bertrand Russell w swojej książce Problemy filo­zo­fii pisze o eterze bez zawa­ha­nia.

Ten odcinek kończy się w momencie, kiedy optyka i fizyka eteru cier­piały na roz­dwo­je­nie jaźni (nie mylić ze schi­zo­fre­nią). Doświad­cze­nia typu Fizeau wydawały się potwier­dzać hipotezę Fresnela czę­ścio­wego wle­cze­nia eteru. Za to doświad­cze­nie Michelsona–Morleya zdawało się potwier­dzać hipotezę Stokesa wle­cze­nia cał­ko­wi­tego. Potrzebny był geniusz, który potrafił wyjaśnić oba rodzaje doświad­czeń. Następny odcinek jest o tym, jak znalazł się geniusz jeszcze większy, prze­ra­sta­jący potrzeby optyki – Hendrik Antoon Lorentz. Jednak nawet on okaże się tylko drogą do Ein­ste­ina.