Hogyan jöttek rá arra, hogy a fénysebességet nem lehet átlépni?

A Michelson-Morley kísérletből.

Ehhez kell ismerni egy kicsit a háttérsztorit. Namármost a 19. század vége felé a fizikusok ismerték az elektrodinamika alapegyenleteit, azaz a 4 Maxwell-egyenletet. Ez a négy egyenlet maradéktalanul leírja a teljes elektromágnességet, így az elektromágneses hullámokat is, ha megfelelően rendezgeted. Akkoriban fedezte fel Hertz az elektromágneses hullámok létezését is. Sikerült is kikeverniük a fizikusoknak a hullámegyenletet, amiből leolvasható bármely hullám terjedési sebessége. Így tudták meg, hogy bármely elektromágneses hatás vákuumban egyetlen megadott sebességgel halad. Ez a fénysebesség (hiszen a fény is elektromágneses hullám). Ki is mérték, szépen egyezett az elméletben jósolt értékkel (az akkori eszközökkel nézve persze, hiszen akkoriban nem tudtak még olyan pontosan mérni).

Ekkor kezdtek el vitatkozni a tudósok, hogy oké, hogy ezzel a fénysebességgel halad, de mihez viszonyítva, azaz mi az elektromágneses hullám közege, amiben mozog, hiszen minden hullámnak szüksége van közegre, ami hullámzik. Erre jött annak idején megoldásként az éter elmélete. Az éterrel próbálták magyarázni, hogy ez a furcsa anyag tölti ki a világot, és ebben terjednek az elektromágneses hullámok.

Voltak, akik vitatták, voltak, akik kiálltak mellette. A lényeg, hogy ki kellett mutatni az étert. Ehhez pedig azt kell megnézni, hogy ha van éter, akkor ésszerű következtetés, hogy az nem a Földhöz van rögzítve, hanem a Föld benne mozog valahogy, ezért a Földön "éterszél fúj", azaz hozzánk képest az éter halad. Meg kellene mérni, hogy milyen sebességgel. Ezt úgy kell csinálni, hogy ha az éterszél fúj, akkor a szélle párhuzamos irányba másnak kell lennie a Földön mért (!) fénysebességnek, mint rá merőlegesen, mert a fény az éterben halad, és a két esetben különböző úthosszakat tesz meg.

Ezt a két fizikus úgy csinálta, hogy egy interferométert hozott létre, két merőleges fénynyaláb interferenciáját kell vizsgálni, és ha az interferométert forgatják, akkor az interferenciaképnek változnia kell.

Meg is csinálták, megmérték, és azt az eredményt kapták, hogy az interferenciakép nem változik, következtetésképp nem fúj az éterszél, vagyis az éter áll a Földhöz képest.

No sebaj, gondolták, hiszen előfordulhat, hogy éppen abban a helyzetben van a Föld, hogy együtt mozog az éterrel, de ha fél év múlva megmérik, akkor már a Föld éppen ellentétes irányba fog haladni, szóval akkor már mozogni fog az éterhez képest.

Megint megmérték fél évvel később, és megint azt kapták, hogy az éter áll. Na ez már nem igazán hihető így, hogy megint ezt mérjük. és akárhányszor mérjük, mindig áll az éter.

Ennek a problémának a megoldására több hipotézis is született, de végül is a leginkább logikus és alátámasztott nyert, mégpedig az, hogy éter nem létezik. A fény minden koordináta-rendszerből nézve ugyanakkora sebességgel halad. De ha ez így van, akkor nem igaz az, amit eddig hittünk a koordináta-rendszerek transzformációjáról (hogyan változnak meg a vektorok koordinátái, ha egyik koordináta-rendszerből a másikra térünk). Ezért egy új transzformációt vezettek be, a Lorentz transzformációt, aminek következménye, hogy a koordináta-rendszerek egymáshoz viszonyított sebességei nem lehetnek nagyobbak a fénysebességnél.

A Lorenz transzformáció a relativitás elméletének sarokköve, anélkül nem lehet megérteni a relativitáselméletet tisztességesen.

Nagyon hasznos az előttem adott válasz, és sokkal tájékozottabb ennek történetével kapcsolatban, mint én.

Viszont annyit szeretnék ehhez hozzáfűzni, hogy ma már tény az, hogy a fénysebesség átléphető. Jómagam nem akarok magyarázásokba bocsátkozni, hanem hivatkozom a Népszava egyik cikkére, miszerint már elérték a fénysebességnek több, mint tizenkétszeresét.

[link]

"végül is a leginkább logikus és alátámasztott nyert, mégpedig az, hogy éter nem létezik"

Valóban ez a magyarázat nyert, leginkább azért, mert Einstein egzotikus relativitáselmélete a görbült téridőről igen megmozgatta az emberek fantáziáját - a laikusokét is - , így ez terjedt el a leginkább.

Azt azonban Einstein is valószínűsítette, hogy éter létezik.

Lorentz és FitzGerald egymástól függetlenül azzal magyarázták a Michelson-Morley kísérletet, hogy az interferométer karjai az éterszél irányában megrövidültek. Amikor elforgatták a műszert, annak másik karja rövidült meg, ezért nem kaptak effektust. Minthogy ez a jelenség (neve Lorentz-kontrakció) levezethető a Michelson-Morley kísérletből (Einstein relativitáselmélete is tartalmazza), így ez tény.

Véleményem szeint ez a Michelson-Morley kísérlet legkézenfekvőbb magyarázata, és nem az, hogy nincsen éter, hiszen a Föld forgása pl. mérhető mind mechanikai, mind optikai módszerekkel, ezek azonos eredményt adnak, így ezen jelenségek hordozója - amihez képest a Föld forog - feltételezhetően ugyan az a közeg. Ezt hívjuk éternek.

Az igaz, hogy a Lorentz-transzformációval kapcsolatos jelenségeknek létezik egy olyan interpretációja, hogy valóban létezik éterszél, aminek a kölcsönhatása az anyagi rendszerekkel pont olyan, hogy kihozza a Lorentz-kontrakciót, vagy az idődilatációt úgy, hogy az anyagi folyamatok lassabban zajlanak le, és matematikailag pontosan ugyanúgy viselkedik.

De szerintem ott dől a dolog a speciális relativitás javára, hogy ott nem szerepel egy hipotetikus új tényező, mint az éter, hanem a már addig is meglévő mennyiségek között állít fel egy új viszonyrendszert. És emiatt kézenfekvőbb ez a megoldás, mert az éter akkoriban is hipotézis szintjén létezett, sem közvetlenül, sem közvetetten nem sikerült kimutatni. A Lorentz-Fitzgerald-szemlélettel pedig épp az a visszatetsző, hogy abból az következik, hogy soha nem is fogjuk tudni kimutatni, mert mindig éppen úgy transzformálja át a dolgokat, hogy ne láthassuk (mint a Michelson-Morley-kísérlet esetén is). Szóval bevezet egy olyan tényezőt a valóság leírásába, amit valójában sosem fogunk tudni kimutatni (az akkori kor szintjén értve), de ez a valami pont úgy működik, hogy azt kapjuk, amit látunk a valóságban. Ezzel szemben Einstein elmélete egyáltalán nem hoz be semmiféle "misztikus" összetevőt, hanem a már meglévő mennyiségek között tár fel egy új összefüggést.

Azt még melléje megjegyzem, hogy a görbült téridő és hasonlók már csak az általános relativitáselmélettel jöttek be képbe, ami évtizedekkel az éter-hipotézis lezárása után jelent meg, amikor már a speciális relativitás már meggyökerezett a tudományos köztudatban. És bármennyire is képes a Lorentz-Fitzgerald-féle éter-elmélet magyarázatot szolgáltatni mind ama jelenségekre, amit a speciális relativitás annak idején megmagyarázott, az általános relativitáselmélettel (ami a speciális elmélet kiterjesztése) sokkal több jelenség természetére derült fény, amire az éter-hipotézis már nem szolgáltat kellő magyarázatot. Ez végképp eldöntötte a dolgot a relativitáselmélet javára.