Başarısız Bir Deney Nasıl Einstein'ın İlk Büyük Devrimine Yol Açtı

19. yüzyılın sonlarında yaşıyor olduğunuzu ve evrenin en önemli fiziksel fenomenlerinden biri olan ışığı düşündüğünüzü hayal edin. Bugün kabul ettiğimiz bazı şeyler ışık hakkında zaten biliniyordu. Örneğin, ışığın yaklaşık 300.000 km/s hızla seyrettiği, girişim ve kırınım gibi dalga benzeri davranışlar sergilediği, elektrik ve manyetik alanlar ile osilasyon gösteren bir elektromanyetik dalga olduğu biliniyordu. Bilinen tüm dalgalar gibi, yayılması için malzeme bir ortama ihtiyaç duyduğu düşünülüyordu, sanki su dalgalarının suya, sismik dalgaların Dünya'ya ve ses dalgalarının bir ortama ihtiyacı olması gibi. Işığın da 'ışık eteri' adını taşıyan bir ortama sahip olduğu varsayılıyordu. Ancak bu eterin özellikleri bilinmiyor ve keşfedilmesi zordu, çünkü ışık, Güneş ile Dünya arasındaki boşluktan geçtiği için sıradan bir ortam değildi.

1880'lerde Albert Abraham Michelson, etherin etkilerini algılamak ve ölçmek için bir yöntem geliştirdi. Michelson-Morley deneyi olarak bilinen bu deneyin başarısızlığı, bilim tarihinin en büyük devriminin sürecini başlattı.

Hız Toplama Kanunu:

Galileo'nun zamanından beri, sıradan, yavaş hareket eden nesneler için hızların nasıl toplandığını anlıyoruz. Örneğin bir balık nehirde yüzerken, nehri karşıdan karşıya geçerken ve geri dönerken, akıntıya karşı seyahat etmekle akıntı boyunca seyahat etmesi arasında mesafe için gerektiği zamanlar farklı olacaktır; çünkü nehrin akıntısı bu zamanları etkiler. Ancak eğer balık durgun suda yüzerse, bu zamanlar eşit olur, yani yüzüş yönü hiçbir etki yapmaz.

Michelson İnterferometresi:

Michelson, ışığın varsayılan ether içinden geçerken nasıl davrandığını test etmek için benzer bir yöntem kullanmaya karar verdi. Işık için seyahat edebileceği bir ortam olarak nehir yoktur, çünkü ışık sadece uzayda seyahat eder. Ancak böyle bir nehir üzerinde bir sal gibi bir şeyimiz vardır: Güneş etrafında ortalama 30 km/s hızla dönen Dünya.

Michelson'un fikri, iki ışık demetini dik yönlerde göndermekti, sanki iki balık bir nehirde yüzüyormuş gibi: bir demet 'akıntıya' karşı gider ve sonra bir aynadan yansıdıktan sonra başlangıç noktasına geri dönerken, diğeri 'nehri' dar çarpraz geçer ve sonra yine bir aynadan yansıdıktan sonra başlangıç noktasına geri döner. Buradaki akıntı, Dünya'nın ether içindeki hareketi nedeniyle ortaya çıkar - ya da çıkması gerekiyordu. Bu iki ayrı ışık demeti başlangıç noktasına geri döndüğünde, aralarında herhangi bir yol uzunluğu farkı olup olmadığını görmek için yeniden birleştirilirler, bu fark ne kadar az olursa olsun, bir girişim deseni oluştururdu.

Michelson'ın düşündüğü gibi, cihaz ether açısından tamamen durağan olsa, iki ışık demetinden yayılan ışık aynı mesafeyi aynı sürede katederdi. Bu iki ışık demeti yeniden birleştirildiğinde, girişim modelinde herhangi bir değişiklik gözlemlenmezdi. Ancak cihaz, Dünya'nın güneş etrafındaki hareketi nedeniyle ether içinde hareket ediyorsa, akıntı altındaki bir nehir sırasında hareket eden bir sal gibi, ışığın etherle hareket eden yönde seyahat etmesi daha uzun sürerdi, bu kritik bir testtir.

Negatif Sonuç:

Michelson, Edward Morley ile işbirliği yaparak interferometreyi inşa etti ve bu deneyde birkaç geliştirme yaptı. 1887 ve 1888 yıllarında, günün herhangi bir saatinde ve yılın herhangi bir zamanında herhangi bir açıda döndürülebilen bir interferometre yaratmayı başardılar. Günün veya yılın saatine bakmaksızın iki yön arasında yol uzunluğu farkı ve dolayısıyla ışık hızında fark bulamadılar. Bu negatif sonuçla etherin varlığını gösteremediler.

Ancak Michelson-Morley deneyi hemen etherin reddine yol açmadı. Bazıları etherin Dünya ile birlikte "sürüklediğini" ve Dünya'nın etherle ortak bir hareket içinde olması gerektiğini iddia etti. Ancak bu hipotez, gözlemlenmiş yıldız sapması ve daha önceki Fizeau deneyi tarafından kısa sürede çürütüldü. Michelson-Morley gözlemlerini açıklamaya yönelik bir sonraki girişim George Fitzgerald ve Hendrik Lorentz'den geldi; bu iki bilim adamı, ışık hızına yakın hızlarda hareket eden nesnelerin hareket yönünde uzunluk kısalmasına uğradığını önerdi. Işık uzay gezegenin yörüngesi ile birlikte hareket ederken kat ettiği uzunluğu kısaltarak, negatif bir sonucun tekrar tahmin edilmesi mümkün olacaktı, bu şekilde ether hipotezini hala savunmak isteyenler için bir kurtuluş sağladı.

Özel Relativite:

Aslında, ether hipotezi 1905 yılına kadar kaldı ve genç bir fizikçi olan Albert Einstein nihayet bulmacayı çözdü. Onun çözümü, ether için olan gereksinimi tamamen ortadan kaldırdı, çünkü Einstein, doğadaki gerçek sabit miktarın ışığın hızı olduğunu düşünerek tamamen yeni bir yaklaşıma ihtiyaç duydu. Başka bir deyişle, etherin güneşe göre sabit olup olmadığı veya Dünya ile sürüklendiği ya da daha karmaşık bir şekilde Lorentz tarafından öne sürüldüğü tüm soruları, ışığın seyahat etmesi için herhangi bir ortama ihtiyaç olmadığı ve bir vakumun yeterli olduğu varsayıldığında ortadan kalktı. Buradaki tek yakalama, uzay, zaman veya hareketin mutlak olmayacağı, bunun yerine tüm gözlemcilerin ışık hızının tek sabit miktar olduğunu kabul etmesi gerekecekti.

Böylece, özel görelilik teorisi doğdu.

Sonuç:

Negatif sonucuna rağmen, Michelson-Morley deneyi tarihin en bilimsel etkili deneylerinden biri olarak kalmaktadır. 1907'de Michelson, "hassas optik enstrümanlar ve bunlar yardımıyla gerçekleştirilen spektroskopi araştırmaları" için Nobel Fizik Ödülü kazanarak tanındı, ancak Einstein'ın özel göreliliği Nobel Ödülü almadı.