pseudo-fizyk pseudo-fizyk
684
BLOG

Geneza Szczególnej Teorii Względności

pseudo-fizyk pseudo-fizyk Nauka Obserwuj temat Obserwuj notkę 1

Dla pełności informacji o genezie Szczególnej Teorii Względności przytaczam fragment książki autorstwa A. Einsteina i L. Infelda p.t. "Ewolucja fizyki".

 

„W przypadku fali dźwiękowej w pokoju, poruszającym się ruchem jednostajnym względem zewnętrznego obserwatora, bardzo istotne znaczenie przy wyciąganiu wniosków mają następujące kroki pośrednie:      Poruszający się pokój unosi powietrze, w którym rozchodzi się fala dźwiękowa.      Prędkości obserwowane w dwóch u.w. , poruszających się względem siebie ruchem jednostajnym, są związane transformacją klasyczną.

            W przypadku światła trzeba odpowiedni problem sformułować trochę inaczej. Tym razem obserwatorzy w pokoju nie rozmawiają, lecz wysyłają we wszystkich kierunkach sygnały świetlne, czyli fale świetlne. Załóżmy następnie, że źródła wysyłające sygnały świetlne pozostają względem pokoju stale w spoczynku. Fale świetlne biegną w eterze zupełnie tak samo, jak fale dźwiękowe biegły w powietrzu.   Czy pokój unosi z sobą eter tak jak unosił powietrze ? Na to pytanie bardzo trudno jest odpowiedzieć, gdyż nie mamy mechanistycznego obrazu eteru. Powietrze zawarte w zamkniętym pokoju musi się poruszać wraz z nim. Oczywiście nie na sensu myśleć w ten sposób o eterze, gdyż przenika on wszędzie i jest w nim zanurzona cała materia. Dla eteru nie ma zamkniętych drzwi. „Poruszający się pokój” oznacza teraz tylko ruchomy u. w., z którym związane jest sztywno źródło światła. Można sobie jednak wyobrazić taką sytuację, że poruszający się wraz ze źródłem światła pokój unosi ze sobą eter, tak jak zamknięty pokój unosił źródło głosu i powietrze. Równie dobrze można sobie wyobrazić sytuację odwrotną: pokój żegluje przez eter jak statek po idealnie spokojnym morzu, poruszając się w ośrodku, lecz ani trochę go nie unosząc.

            W naszym pierwszym obrazie pokój, poruszający się wraz ze źródłem światła, unosi eter. Możliwa jest wówczas analogia z falą dźwiękową i można wyciągnąć zupełnie podobne wnioski.

            W drugim – pokój, poruszający się wraz ze źródłem światła, nie unosi eteru. Nie można tu przeprowadzić analogii z falą dźwiękową i wnioski wyciągnięte w przypadku fali dźwiękowej tracą ważność w przypadku fali świetlnej. Są to dwie możliwości graniczne.

            Moglibyśmy sobie wyobrazić możliwość jeszcze bardziej skomplikowaną : pokój, poruszający się wraz ze swym źródłem światła, który unosiłby eter tylko częściowo. Nie warto jednak zastanawiać się nad bardziej skomplikowanymi założeniami, zanim się nie przekonamy, za którym z dwóch prostszych przypadków granicznych przemawia doświadczenie.           

            Zaczniemy od pierwszego obrazu, zakładając na razie, że eter jest unoszony przez pokój, poruszający się wraz ze swym sztywno związanym źródłem światła. Jeśli wierzymy w prostą zasadę transformacyjną dla prędkości fal dźwiękowych, możemy teraz zastosować nasze wnioski do fal świetlnych. Nie ma powodu, by wątpić w proste prawo transformacyjne mechaniki, które po prostu głosi, że w jednych przypadkach prędkości trzeba dodać, w innych odjąć. Dlatego przyjmiemy na chwilę oba założenia: że pokój, poruszający się wraz ze swoim źródłem światła, unosi eter oraz, że obowiązuje transformacja klasyczna.  

Jeśli zapalam światło, którego źródło jest sztywno związane z pokojem, to prędkość sygnału świetlnego ma dobrze znaną wartość doświadczalną trzystu tysięcy kilometrów na sekundę. Ale obserwator zewnętrzny zauważy ruch pokoju, a więc i źródła, a ponieważ eter jest unoszony, musi wyciągnąć wniosek: prędkość światła w moim u. w. jest w różnych kierunkach inna. W kierunku ruchu pokoju jest ona większa od zwykłej prędkości światła, w kierunku przeciwnym – mniejsza.

            Nasz wniosek brzmi więc: jeżeli pokój, poruszający się wraz ze swym źródłem światła, unosi eter i jeżeli obowiązują prawa mechaniki, to prędkość światła musi zależeć od prędkości źródła światła. Światło dochodzące do naszych oczu z poruszającego się źródła będzie miało większą prędkość, gdy ruch odbywa się do nas, a mniejszą, gdy zachodzi on w przeciwną stronę.     

            Gdybyśmy potrafili poruszać się z szybkością większą od prędkości światła, powinniśmy móc uciec przed sygnałem świetlnym. Moglibyśmy oglądać dawno minione zdarzenia, doganiając w tym celu dawniej wysłane fale świetlne. Chwytalibyśmy je przy tym w kolejności odwrotnej do tej, w jakiej zostały kiedyś wysłane, tak, że ciąg zdarzeń zachodzących na Ziemi przypominałby film, pokazywany w odwróconym kierunku, z happy endem na początku. Wszystkie te wnioski wynikają z założenia, że ruchomy u. w. unosi z sobą eter oraz, że obowiązują prawa transformacyjne mechaniki.

            Gdyby tak było analogia między światłem a dźwiękiem byłaby zupełna. Nic jednak nie wskazuje na prawdziwość tych wniosków. Przeciwnie, wszystkie obserwacje dokonane dla ich potwierdzenia przeczą im. Wyrok ten nie pozostawia najmniejszych wątpliwości, choć uzyskano go drogą doświadczeń pośrednich, a to ze względu na wielkie trudności techniczne spowodowane ogromną wartością prędkości światła. 

            Prędkość światła jest we wszystkich u. w. zawsze taka sama, niezależnie od tego, czy źródło światła porusza się, czy nie, i jak to robi.

            Nie będziemy się wdawać w szczegółowy opis licznych doświadczeń, z których ten wniosek można wyciągnąć. Rozważmy jednak jedno doświadczenie, którego myśl jest bardzo prosta. Wyobraźmy sobie bardzo szybko obracające się koło. Według naszego założenia koło unosi z sobą eter, który bierze udział w ruchu. Fala świetlna biegnąca w pobliżu koła miałaby inną szybkość, gdy koło jest nieruchome, a inną – gdy się kręci. Prędkość światła w spoczywającym eterze powinna się różnić od prędkości w eterze wprawianym w szybki ruch przez obroty koła, tak jak różna jest prędkość fali dźwiękowej w spokojne i wietrzne dnie. Ale różnicy takiej się nie wykrywa! Niezależnie od tego, z której strony podchodzimy do zagadnienia i jakie proponujemy doświadczenie rozstrzygające, wynik przemawia zawsze przeciw założeniu eteru unoszonego przez ruch.

            Wniosek z naszych rozważań popartych przez rozumowanie bardziej szczegółowe i fachowe brzmi więc:   Prędkość światła nie zależy od ruchu

wysyłającego je źródła. Nie wolno zakładać, że poruszające się ciało unosi z sobą otaczający je eter.

Musimy zatem zrezygnować z analogii między falami świetlnymi i dźwiękowymi i przejść do drugiej możliwości, w myśl której wszystkie ciała materialne poruszają się w eterze, który w tym ruchu nie bierze najmniejszego udziału. Znaczy to, że zakładamy istnienie morza eteru, a wszystkie u. w. albo w nim spoczywają, albo się względem niego poruszają. Zostawmy na chwilę na uboczu zagadnienie, czy doświadczenie potwierdza tę teorię, czy ją obala. Spróbujemy najpierw dokładniej zrozumieć sens tego nowego założenia i wnioski, które z niego można wyciągnąć.   Istnieje u. w., który spoczywa w morzu eteru. W mechanice nie można było wyróżnić żadnego z wielu u. w. poruszających się względem siebie ruchem jednostajnym. Wszystkie takie układy były równie „dobre” lub „złe”. Jeśli mamy dwa u. w. poruszające się względem siebie ruchem jednostajnym, to w mechanice nie ma sensu pytać, który z nich się porusza, a który spoczywa. Obserwować można tylko względny ruch jednostajny. Nie można mówić o bezwzględnym ruchu jednostajnym, a to z uwagi na zasadę względności Galileusza. Co mamy na myśli mówiąc, że istnieje nie tylko względny, ale i bezwzględny ruch jednostajny. Po prostu to, że istnieje jeden u. w., w którym niektóre prawa przyrody są inne niż we wszystkich pozostałych. A także i to, że każdy obserwator może wykryć, czy jego u. w. spoczywa, czy się porusza, porównując obowiązujące w nim zasady z prawami stosowanymi w owym jedynym układzie, który posiada absolutny monopol służenia za wzorzec. Doprawdy nie mamy wyboru. 

            Próbowaliśmy ocalić zasadę względności Galileusza, przyjmując, że układy unoszą z sobą swój eter, ale to doprowadziło nas do sprzeczności z doświadczeniem. Jedyne wyjście to porzucić zasadę względności Galileusza i wypróbować założenie, że wszystkie ciała poruszają się w spokojnym morzu eteru.    

            Nasz następny krok polegać będzie na rozważeniu pewnych wniosków, które przeczą zasadzie względności Galileusza, a popierają założenie o ruchu w eterze, oraz na poddaniu ich próbie doświadczenia. Doświadczenie takie dość łatwo sobie wyobrazić, ale bardzo trudno wykonać. Ponieważ jednak zajmujemy się tu tylko pojęciami, możemy się trudnościami technicznymi nie przejmować.

            Wróćmy do naszego poruszającego się pokoju z dwoma obserwatorami, wewnętrznym i zewnętrznym.  Obserwator zewnętrzny reprezentować będzie wzorcowy u. w. wyznaczony przez morze eteru. Jest to wyróżniony u. w., w którym prędkość światła ma zawsze tę samą normalną wartość. Pokój i związany z nim obserwator poruszają się w eterze. Wyobraźmy sobie, że pośrodku pokoju zapalono i zgaszono światło oraz, że ściany pokoju są przezroczyste, tak że obaj obserwatorzy, wewnętrzny i zewnętrzny, mogą mierzyć prędkość światła. Gdybyśmy zapytali obu obserwatorów, jakie spodziewają się otrzymać wyniki, odpowiedzieliby mniej więcej tak: 

            O b s e r w a t o r z e w n ę t r z n y :  Mój u. w. jest wyznaczony przez morze eteru. Prędkość światła ma w
moim u. w. zawsze normalną wartość. Nie muszę się troszczyć o to, czy źródło światła lub inne ciało poruszają się, czy nie, ponieważ nigdy nie unoszą mojego morza eteru. Mój u. w. jest wyróżniony spośród wszystkich innych i prędkość światła musi w nim mieć swą wartość normalną, bez względu na kierunek wiązki światła lub ruch jego źródła.     

            O b s e r w t o r w e w n ę t r z n y :  Mój pokój porusza się w morzu eteru. Jedna ściana ucieka przed światłem, druga biegnie mu naprzeciw. Gdyby pokój poruszał się względem morza eteru z prędkością światła, światło wysłane ze środka nigdy nie doszłoby do ściany uciekającej z prędkością światła. Gdyby prędkość pokoju była mniejsza od prędkości światła, fala wysłana ze środka pokoju dobiegłaby do jednej ściany wcześniej niż do drugiej, mianowicie wcześniej do ściany biegnącej naprzeciw fali świetlnej niż do ściany, która się od tej fali oddala. Toteż choć źródło światła jest w moim u. w. sztywno związane, to jednak prędkość światła nie będzie we wszystkich kierunkach taka sama. Będzie ona mniejsza w kierunku ruchu względem morza eteru, gdyż w tym przypadku ściana ucieka przed falą, zaś większa w kierunku przeciwnym, gdyż wtedy ściana biegnie naprzeciw fali, starając się z nią spotkać wcześniej. Tak więc prędkość światła powinna być jednakowa we wszystkich kierunkach tylko w jednym u. w., wyróżnionym przez morze eteru. W innych u. w., poruszających się względem morza eteru, powinna zależeć od kierunku, w którym ją mierzymy.  

            Rozważone przed chwilą doświadczenie rozstrzygające pozwala poddać próbie teorię ruchu w eterze. Istotnie, przyroda daje nam do dyspozycji układ poruszający się ze stosunkowo dużą prędkością – jest to Ziemia w rocznym obiegu dookoła Słońca.

            Jeśli nasze założenie jest poprawne, to prędkość światła w kierunku ruchu Ziemi powinna się różnić od prędkości w kierunku przeciwnym. Można tę różnicę obliczyć i zaprojektować odpowiednie doświadczenie. Ze względu na wynikające z teorii małe różnice czasów, trzeba obmyślić bardzo sprytne urządzenie.

            Dokonano tego w słynnym doświadczeniu Michelsona – Morleya . Jego wynik był wyrokiem „śmierci” na teorię spokojnego morza eteru, w którym porusza się wszelka materia. 

            Nie udało się wykryć żadnej zależności szybkości światła od kierunku. Gdyby przyjąć teorię morza eteru, wówczas nie tylko szybkość światła, ale i inne zjawiska powinny wykazywać zależność od kierunku. Wszystkie doświadczenia dały taki sam negatywny wynik, jak doświadczenie Michelsona – Morleya; żadne z nich nie wykazało jakiejkolwiek zależności od kierunku ruchu Ziemi.   

            Sytuacja staje się coraz poważniejsza. Wypróbowaliśmy dwa założenia. Według pierwszego – poruszające się ciała unoszą eter z sobą. Założeniu temu przeczy fakt, że prędkość światła nie zależy od ruchu źródła. Według drugi

istnieje jeden wyróżniony u. w., a poruszające się ciała nie unoszą eteru, lecz żeglują przez wiecznie spokojne morze eteru. Jeśli tak jest, to nie obowiązuje zasada względności Galileusza i szybkość światła nie może być w każdym u. w. taka sama. I znów popadamy w sprzeczność z doświadczeniem.    

             Próbowano bardziej sztucznych teorii zakładających, że prawda leży gdzieś między tymi dwoma przypadkami granicznymi; że poruszające się ciała unoszą eter tylko częściowo. Ale wszystkie próby zawiodły! Wszystkie próby wytłumaczenia zjawisk elektromagnetycznych w poruszających się u. w. za pomocą ruchu eteru, ruchu w eterze lub obu tych ruchów naraz – okazały się nieskuteczne.

            Powstała w ten sposób jedna z najbardziej dramatycznych sytuacji w historii nauki. Wszystkie założenia dotyczące eteru prowadziły w ślepy zaułek! Doświadczenie wydawało zawsze wyrok negatywny. Spoglądając wstecz na rozwój fizyki widzimy, że eter wkrótce po swym urodzeniu stał się enfant terible (okropnym dzieckiem) rodziny substancji fizycznych.

            Po pierwsze, skonstruowanie prostego mechanistycznego modelu eteru okazało się niemożliwe i trzeba było go zaniechać. Przyczyniło się to w znacznym stopniu do upadku poglądu mechanistycznego.

            Po drugie, musieliśmy się wyrzec nadziei na to, że dzięki istnieniu morza eteru można będzie wyróżnić jeden u. w. , co by doprowadziło do uznania ruchu bezwzględnego, a nie tylko względnego. Byłby to, poza przenoszeniem fal, jedyny sposób, w który eter mógłby wykazać i usprawiedliwić swoje istnienie.

            Wszystkie nasze usiłowania uczynienia z eteru czegoś rzeczywistego – zawiodły. Nie ujawnił on ani swej struktury mechanicznej, ani ruchu bezwzględnego. Spośród wszystkich własności eteru nie ostała, się żadna, z wyjątkiem tej jednej, dla której go wymyślono, to jest zdolność przenoszenia fal elektromagnetycznych. Próby wykrycia własności eteru doprowadziły nas do trudności i sprzeczności. Po tak przykrych doświadczeniach nadeszła chwila, by o eterze zupełnie zapomnieć i postarać się nigdy go nie wspominać.

            Powiemy po prostu, że nasza przestrzeń ma fizyczną własność przenoszenia fal, i w ten sposób unikniemy wypowiadania słowa, którego postanowiliśmy nie używać.  

    Zestawmy teraz fakty dostatecznie potwierdzone przez doświadczenie:

1       Prędkość światła w próżni ma zawsze normalną wartość, która nie zależy od ruchu źródła, ani odbiornika światła.

2       W dwóch u. w. poruszających się względem siebie ruchem jednostajnym wszystkie prawa przyrody są ściśle takie same i nie ma sposobu wyróżnienia bezwzględnego ruchu jednostajnego.

Wiele doświadczeń potwierdza powyższe dwa twierdzenia, a żadne im nie przeczy. ”

Chciałbym podzielić się z innymi ludźmi swoimi przemyśleniami na temat przyrody Wszechświata,a także poznać ich poglądy w tym zakresie.

Nowości od blogera

Komentarze

Inne tematy w dziale Technologie