Pokusy vedoucí ke speciální teorii relativity

Problémem určení velikosti rychlosti absolutního pohybu Země vůči soustavě éteru (který velmi úzce souvisí s měřením velikosti rychlosti světla) se zabývala v 19. století řada fyziků - např. francouzský fyzik H. Fizeau (1819 - 1896), který v roce 1851 provedl pokus, pomocí něhož chtěl určit velikost rychlosti Země vůči éteru. Zásadní význam pro další rozvoj fyziky měl ale pokus, který provedl v roce 1881 americký fyzik A. A. Michelson (1852 - 1931). Michelson přímo neměřil rychlost světla v různých směrech, ale jen porovnával časové intervaly, za které v laboratoři světlo urazilo dvě stejné dráhy různě orientované vzhledem k pohybu Země.

Princip přístroje (tzv. Michelsonův interferometr) je zobrazen na obr. 9. Monochromatické světlo vysílané zdrojem světla S dopadá na polopropustné P zrcadlo pod úhlem . Část světla se šíří původním směrem (paprsek 1) a po odrazu od zrcadla  se vrací zpět k polopropustnému zrcadlu, na němž se opět odráží a dopadá na detektor D (stínítko). Druhá část světla (paprsek 2) se na polopropustném zrcátku odráží kolmo k dopadajícímu paprsku a po odrazu od zrcadla  a průchodu polopropustným zrcadlem P dopadá také na detektor D. Oba dopadající paprsky jsou koherentní a vytvářejí tedy na stínítku interferenční obrazec.

Obr. 9	Obr. 10

Na obrázku jsou v rámci zjednodušení nakreslené paprsky světla, i když světlo je elektromagnetické vlnění, které může interferovat!

Kdyby byl interferometr vzhledem k soustavě éteru v klidu, šířilo by se světlo po stejně dlouhých drahách  a  stejnou rychlostí o velikosti c při libovolné orientaci ramen  a  interferometru. Oba paprsky by se tedy vrátily zpět do bodu P za stejné časové intervaly. Otáčení interferometru kolem osy procházející bodem P kolmo na nákresnu by nemohlo způsobit žádné zpoždění jednoho paprsku vůči druhému. Interferenční obrazec na stínítku P by se tedy neměnil.

Michelsonův interferometr byl umístěn ale na Zemi, která se (podle předpokladů fyziků z konce 19. století) vůči soustavě éteru pohybuje rychlostí  ve směru jednoho z ramen interferometru (viz obr. 9). Pro čas, který potřebuje paprsek 1 na uražení dráhy , platí: . Čas, který potřebuje paprsek 2 k uražení dráhy  lze určit podle obrázku obr. 10.

 

Podle něj platí:  (než se vrátí odražený paprsek od zrcadla  posune se polopropustné zrcadlo P z bodu  do bodu ) a . Z pravoúhlého trojúhelníka  dostáváme: . Odtud pro čas  dostáváme: .

Vidíme tedy, že  čili paprsek 1 dorazí zpět k polopropustnému zrcadlu P později než paprsek 2.

Vzhledem k tomu, že  je . Proto i , ale . Z toho vyplývá, že , ale také . Proto platí: .

Pokud nyní otočíme celý interferometr o , dorazí později paprsek 2. Z vlnové optiky je známo, že i nepatrné zpoždění jednoho koherentního paprsku vůči druhému může způsobit značnou změnu interferenčního obrazce. Zde konkrétně by celkové zpoždění paprsků v prvním a druhém případě činilo . Výsledek Michelsonova experimentu byl pro fyziky překvapující: otočením interferometru nedošlo ke změně interferenčního obrazce. Pokus byl mnohokrát opakován s citlivějšími přístroji, ale vždy s tímtéž výsledkem.

Při dalším opakování pokusu v roce 1887 Michelsonovi pomáhal krajan E. W. Morley (1838 - 1923). Pomocí odrazu světelného paprsku prodloužili jeho dráhu na 11 m. Aby co možná nejvíce eliminovali vnější vlivy (otřesy, …), umístili celou aparaturu na kamennou čtvercovou desku o délce strany 1,5 m a tloušťce 0,25 m, která plavala v nádobě se rtutí. Ale ani tato vylepšení nepřinesla jiný výsledek: interferenční obrazec se při otočení ramen nezměnil!