Stuletnia droga do szczególnej teorii względności – cz. 1

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.

Małe kosmologiczne FAQ Kwantowe interpretacje: wieloświaty Everetta Reakcja syntezy: dobierzmy się do energii gwiazd!