Wielkość liter

Małą literą: po łacinie aether, po grecku αἰθήρ — «górne powietrze». Symbolu ani jednostki nie było: eter był ośrodkiem, a nie miarą.

Nie mylić

Eter świetlny fizyków to nie eter chemików, eter dietylowy (C₂H₅)₂O. I nie «eter» radiowy — to tylko słowo na nadawanie.

Na płycie — interferometr widziany z góry na kamiennej płycie. Lampa świeci na półprzepuszczalne lustro, wiązka dzieli się na dwie, promienie biegną do luster wzdłuż i w poprzek i schodzą się w lunecie. Liliowe pasma to wiatr eteru, który miał wiać naprzeciw Ziemi. Płyta obraca się o ćwierć obrotu. W okularze po prawej jasne prążki prawie się nie ruszają. Na dole znacznik najpierw idzie do 0,37 — tyle oczekiwano — i wraca do zera, gdzie faktycznie zmierzono.

Paszport wielkości · przestarzała · ośrodek dla światła

Eter świetlny

Przestarzała wielkość bez jednostki · zastąpiona stałą prędkością światła

Cleveland, lipiec 1887 roku. Michelson i Morley kładą kamienną płytę na poduszce rtęciowej, ustawiają na niej lustra i powoli ją obracają. Ziemia leci wokół Słońca z prędkością 30 km/s i jeśli światło jest falą w nieruchomym eterze, przeciwny wiatr eteru powinien przesunąć prążki w okularze o 0,4 prążka. Czekali na przesunięcie. Nie było go.

Eter wymyślono, bo fala potrzebuje ośrodka. Dźwięk biegnie w powietrzu, fala po wodzie — więc światło biegnie w czymś, co wypełnia pustkę. Eter musiał być twardszy od stali, by przenosić tak szybkie fale, a przy tym nie przeszkadzać planetom. Doświadczenie z 1887 roku pokazało, że światło porusza się jednakowo we wszystkie strony, jakkolwiek leci Ziemia. W 1905 roku Einstein uczynił z tego prawo i eter przestał być potrzebny.

Oznaczenie	aether · luminiferous aether · bez symbolu
Jak szukano	prędkości Ziemi względem eteru — po przesunięciu prążków interferencyjnych
Co zakładano	nieruchomy ośrodek · prędkość światła zależy od ruchu obserwatora
Wprowadzenie i odrzucenie	Huygens, 1690 · Fresnel, 1818 · Michelson i Morley, 1887 · Einstein, 1905
Dzisiejszy zapis	c = 299 792 458 m/s dokładnie, od 1983 roku — z definicji metra
Typowe wartości	0,37 prążka — oczekiwano w 1887 · mniej niż 0,01 — zobaczono · 10⁻¹⁷ — dokładność dziś

Do przeliczania Do interferometru

01 · Definicja

Ośrodek, w którym biegnie światło

Jeśli światło jest falą w eterze, ma prędkość względem eteru, c. Obserwator lecący przez eter powinien widzieć światło szybsze, gdy biegnie mu naprzeciw, i wolniejsze, gdy go dogania. Ziemia leci wokół Słońca z prędkością 30 km/s — jedna dziesięciotysięczna c. Tę właśnie różnicę próbowano złapać.

Bezpośrednio zmierzyć taką poprawkę się nie da, jest za mała. Michelson porównał dwie drogi światła: wzdłuż wiatru i w poprzek. Jak pływak, który płynie tam i z powrotem wzdłuż rzeki i w poprzek niej: wzdłuż nurtu wychodzi dłużej. Różnica to kwadrat małego stosunku, (v/c)² = 10⁻⁸. Interferencja czyni ją widoczną: przesunięcie o ułamek fali przesuwa jasne prążki.

c — prędkość światła, m/s · v — prędkość względem eteru · L — długość ramienia, m · λ — długość fali, m · ΔN — przesunięcie prążków · β = v/c · γ = 1/√(1−β²)

Interaktywnie · dwóch pływaków na rzece

Kto wróci pierwszy

Rzeka o szerokości L płynie z lewa na prawo, liliowe strzałki to nurt. Dwóch pływaków płynie z tą samą prędkością c: złoty wzdłuż rzeki tam i z powrotem, błękitny w poprzek, na drugi brzeg i z powrotem. Paski na dole to ich czas w drodze. Pływak poprzeczny zawsze wraca wcześniej. Tak samo promień biegnący w poprzek wiatru eteru powinien był wyprzedzać promień biegnący wzdłuż wiatru.

złoty — wzdłuż, błękitny — w poprzekpaski — czas w drodze, w jednostkach 2L/c

Nurt v / c

Wzdłuż

γ² = 1/(1−β²)

W poprzek

γ = 1/√(1−β²)

Różnica

≈ β²/2 dla małych β

Interaktywnie · interferometr Michelsona i Morleya, 1887

Obróć płytę i patrz w okular

Główne działanie jest jedno — przycisk «Obróć płytę». Kamienna płyta pływa na rtęci i powoli się obraca. W środku widać ją z góry: złota lampa, błękitne promienie biegną do luster na końcach ramion, po 16 odbić, razem 11 m drogi. Liliowe kreski to wiatr eteru, jego prędkość ustawia suwak. Po prawej okular: jasne i ciemne prążki. Jeśli eter istnieje, prążki powinny się kołysać, gdy płyta się obraca. Pod okularem wykres: liliowa krzywa to przesunięcie według teorii eteru, złote punkty — to, co widać. Przełącznik «Świat z eterem / Świat roku 1887» pokazuje obie odpowiedzi.

po lewej: dziennik obserwacji, przesunięcie prążków i kąt płytypo prawej: okular i przesunięcie prążków w zależności od kąta obrotu

Główna akcja

Wiatr eteru v30 km/s

30 km/s to prędkość Ziemi na orbicie. Przesunięcie rośnie z kwadratem prędkości: dwa razy szybciej — cztery razy więcej.

Długość ramienia L11 m

W 1881 roku Michelson miał 1,2 m i przesunięcie tonęło w szumie. W 1887 lustra odbijały światło 16 razy, co dało 11 m.

Oczekiwane przesunięcie

—

—

Widoczne przesunięcie

—

—

Kąt płyty

—

—

Prędkość względem eteru, najwyżej

—

—

Wykres · przesunięcie od kąta, od prędkości i dokładność na przestrzeni wieku

02 · Przeliczanie

Ułamek prędkości światła β = v/c

Eter nie miał jednostki, więc przeliczamy prędkość, której szukano. Przesunięcie prążków w interferometrze rośnie jak β², kwadrat ułamka prędkości światła. Prędkość Ziemi na orbicie to β = 10⁻⁴, β² = 10⁻⁸.

Dziś żadnej prędkości nie mierzy się «względem eteru». Jest tylko ruch względem mikrofalowego promieniowania tła: Słońce leci przez nie z prędkością 370 km/s, ale to ruch obserwowany, a nie wiatr ośrodka.

03 · Rzędy wielkości

Odchylenie prędkości światła Δc/c — czego szukały doświadczenia, od 10⁻¹⁸ do 10⁻⁴

04 · Przyrządy pomiarowe

interferometr

Dzielnik wiązki, dwa ramiona, dwa lustra. Promienie schodzą się i dają prążki, a przesunięcie o jedną dziesiątą prążka widać gołym okiem. Ta sama zasada działa w detektorach fal grawitacyjnych, tylko ramiona mają tam po 4 km.

aberracja gwiazd

Bradley w 1727 roku zauważył, że gwiazdy w ciągu roku zakreślają małe elipsy, 20,5 sekundy kątowej. Lunetę trzeba nachylać w kierunku ruchu Ziemi, jak parasol w deszczu. To pierwszy pomiar β = 10⁻⁴.

doświadczenie Fizeau z wodą

W 1851 roku Fizeau puścił światło z prądem i pod prąd płynącej wody. Światło było unoszone przez nurt nie całkowicie, lecz z czynnikiem 1 − 1/n². Fresnel tłumaczył to częściowym unoszeniem eteru. Teoria względności wyprowadza tę samą liczbę ze składania prędkości.

rezonator optyczny

Dzisiejsze doświadczenie Michelsona: dwa rezonatory krystaliczne pod kątem prostym na obrotowym stole, lasery dostrojone do ich częstotliwości. Częstotliwości nie rozchodzą się aż do 10⁻¹⁷ — sto milionów razy dokładniej niż w 1887 roku.

05 · Zasady zapisu

Poprawnie

c = 299 792 458 m/s — dokładnie, bez niepewności

«eter świetlny» — termin historyczny, w kontekście XIX wieku

ΔN = 0,37 — oczekiwane przesunięcie prążków u Michelsona i Morleya

β = v/c, γ = 1/√(1−β²)

Błędnie

«prędkość względem eteru» — we współczesnym tekście

c ≈ 3·10⁸ m/s ± … — c nie ma niepewności od 1983 roku

«doświadczenie się nie udało» — dało wyraźny wynik zerowy

mylić eter świetlny z eterem chemicznym

06 · Jednostki sąsiednie

Flogiston odszedł bez śladu, cieplik zostawił kalorię. Eter zostawił najwięcej: równania Maxwella pisano dla sprężystego eteru, a one go przeżyły. A stała prędkość światła, która eter obaliła, sama stała się podstawą miary: przez nią zdefiniowano metr.

07 · Dział historyczny

kamienna płyta

Notatka metrologiczna

Doświadczenie z 1887 roku to wzór, jak stawiać pomiar przeciw szumowi. Płyta z piaskowca pływała na rtęci, by można ją było obracać bez wstrząsów. Obserwowano w piwnicy, w południe i wieczorem, szesnaście odczytów na obrót. Oczekiwano 0,4 prążka, rozrzut odczytów wynosił około 0,01.

Wynik zerowy dał górną granicę: prędkość Ziemi względem eteru jest mniejsza niż około 5—8 km/s. Sto lat później stałość prędkości światła stała się częścią definicji metra. Od 1983 roku metr to droga, jaką światło przebywa w czasie 1/299 792 458 sekundy.

prążki w okularze

Katalog wielkości

cały indeks →

fundament · 7 jednostek

Siedem jednostek podstawowych SI

Mol

Indeks · wszystkie wielkości na jednej stronie

Laboratorium przy wejściu do indeksu

Kropla kwasu zmienia kolor soku, sól barwi płomień, woda zamarza od stuknięcia. Pod nimi wszystkie karty Simetrium według dziedzin i alfabetycznie.

Otwórz indeks →

08 · Twój język

każdy odnośnik prowadzi do prawdziwej strony językowej

Czytaj w swoim języku

przetłumaczone i sprawdzonetłumaczenie roboczew kolejce