Wiatr eteru [Polish]

Bardzo ciekawą koncepcję fizyczną tzw. “eteru” przedstawiłem tu w formie krótkiego opowiadania. Jest to swego rodzaju preludium do teorii względności. Zapraszam do lektury.

Opowiadanie

Była letnia gwieździsta noc, kiedy nad łąkami rozbrzmiewał śpiew świerszczy, a łagodny ciepły wiatr przenikał korony sosen w pobliskim lesie. Czy to był wiatr eteru? Nie, o nim opowiem za chwilę. A na razie wsłuchajmy się dalszą część opowieści. Coś zaczęło mącić spokój. Odgłos stawał się coraz silniejszy. To był nadjeżdżający pociąg. Z ciemności wyłoniły się trzy jasne punkty, z których wydostające się światło przecinało przestrzeń tworząc efektowną smugę.

Jarek postanowił rozprostować nogi. Wyszedł z przedziału i skierował się w stronę przodu pociągu do wagonu restauracyjnego, by zrelaksować się przy filiżance gorącej herbaty. Gdy szedł korytarzem mijając kolejne przedziały wpadła mu do głowy pewna myśl, a w zasadzie pytanie: “Z jaką prędkością się teraz poruszam?”.


Przeanalizujmy teraz tę scenkę okiem fizyka. Dodajmy, że prędkość pociągu wynosi 100 km/h, a Jarek idzie w tempie 5 km/h. Jaka więc będzie odpowiedź?

Nie możemy jej jeszcze udzielić, bo nie mamy wszystkich danych. To czego nam brakuje to określenie układu odniesienia. Musimy ustalić względem jakiego układu odniesienia mierzymy prędkość Jarka. Co mamy do wyboru? Zapiszmy poniżej układy odniesienia jakie przychodzą nam do głowy w związku z naszą scenką:

  • układ odniesienia pociągu
  • układ odniesienia torów, po których jedzie pociąg

Czy to wszystkie układy odniesienia? Oczywiście, że nie. Układów odniesienia, względem których możemy mierzyć prędkość Jarka jest nieskończenie wiele. Wypiszmy jeszcze kilka:

  • układ odniesienia Jarka
  • układ odniesienia Układu Słonecznego
  • układ odniesienia Drogi Mlecznej
  • układ odniesienia Wielkiego Atraktora
  • układ odniesienia przejeżdżającego w przeciwną stronę pociągu
  • układ odniesienia przelatującego ukosem nad pociągiem samolotu

(Przez określenie "układ odniesienia danego obiektu" rozumiemy "układ odniesienia, w którym spoczywa środek ciężkości tego obiektu".)

Gdy mamy określony układ odniesienia możemy już odpowiedzieć na zadane na początku pytanie. Podajmy odpowiedzi dla kilku z powyżej wymienionych układów odniesienia.

Układ odniesienia Prędkość Jarka
układ odniesienia Jarka 0 km/h
układ odniesienia pociągu 5 km/h
układ odniesienia torów 105 km/h
układ odniesienia Układu Słonecznego około 107 tys. km/h

(Wartości w tabeli zostały wyliczone w oparciu o klasyczne prawo dodawania prędkości.)

Jaki jest wniosek z powyższych rozważań? Prędkość obiektu fizycznego jest różna w różnych układach odniesienia.


Nasuwa się ważne pytanie. Czy istnieje we Wszechświecie jeden główny układ odniesienia, który ma specjalne własności fizyczne?

Koncepcją takiego układu odniesienia był tzw. “eter” (zobacz: Wikipedia: Eter). Jego specjalną własnością fizyczną miało być to, że względem tego układu odniesienia światło poruszałoby się zawsze ze stałą prędkością, natomiast w innych układach odniesienia prędkość światła przyjmowałaby inne wartości.

Zakładano, że Ziemia wraz z Układem Słonecznym porusza się z pewną prędkością względem “eteru”, co miało wywoływać efekt tzw. “wiatru eteru”. “Wiatr eteru” miał objawiać się tym, że prędkość światła od strony z której by “napierał” owy “wiatr” byłaby największa.

Ostatecznie eksperyment Michelsona-Morleya przeprowadzony w 1887 r., który polegał na pomiarach prędkości światła w różnych kierunkach i o różnych porach roku za pomocą bardzo czułego przyrządu, obalił hipotezę “eteru”. Okazało się, nie ma żadnego uprzywilejowanego układu odniesiania - każdy jest równie dobry jak dowolny inny.

Przede wszystkim zostało odkryte coś bardzo, ale to bardzo dziwnego. Mianowicie w każdym układzie odniesienia prędkość światła (w próżni) jest taka sama i wynosi dokładnie c = 299 792 458 m/s.

Podsumowując, tytułowy “wiatr eteru” jak i sam “eter” nie istnieją w rzeczywistości.


Powróćmy jeszcze na chwilę do naszego opowiadania. Ponieważ Jarek jest fizykiem, szybko zwizualizował sobie w głowie tabelkę z wynikami, którą przedstawiliśmy powyżej. Zbliżając się do wagonu restauracyjnego popatrzył przez okno na gwiedździste niebo. Po chwili wpadło mu do głowy kolejne pytanie: “Jaką prędkość mają fotony, które teraz opuszczają przednie reflektory lokomotywy i przemierzają na wprost przestrzeń przed pędzącym pociągiem?”. Jarek szybko zwizualizował sobie kolejną tabelkę:

Układ odniesienia Prędkość fotonów
układ odniesienia Jarka 299 792 458 m/s
układ odniesienia pociągu 299 792 458 m/s
układ odniesienia torów 299 792 458 m/s
układ odniesienia Układu Słonecznego 299 792 458 m/s

(Dla uproszczenia rozpatrujemy prędkość światła w próżni. W rzeczywistości w atmosferze ziemskiej prędkość światła ma niższą wartość.)

Oznacza to, że te same fotony przemierzające przestrzeń mogą być obserwowane z różnych dowolnych układów odniesienia i względem każdego z tych układów odniesienia owe fotony poruszają się z taką samą prędkością. Jak to możliwe?


Wynik eksperymentu Michelsona-Morleya stał się wielką zagadką, która na swoje rozwiązanie czekała 18 lat. W 1905 roku, nikomu w owym czasie nieznany, 26-letni pracownik Urzędu Patentowego w Bernie opublikował 30-stronicową pracę zatytułowaną “O elektrodynamice poruszających się ciał”. Praca stała się najsłynniejszą, najczęściej wymienianą i przywoływaną pracą naukową świata. Autorem pracy był Albert Einstein.

Przypisy

Comments

Popular posts from this blog

PyCharm - useful shortcuts

Linux Terminal - search in history

Special relativity: Train-platform paradox