فرضية سحب الأثير

في القرن التاسع عشر، كانت نظرية الأثير المضيء كوسيط افتراضي لانتشار موجات الضوء محل نقاش واسع النطاق. وقد نشأت فرضية الأثير لأن علماء الفيزياء في ذلك العصر لم يتمكنوا من تصور انتشار موجات الضوء دون وجود وسط مادي للقيام بذلك. وعندما فشلت التجارب في الكشف عن الأثير المضيء المفترض، ابتكر علماء الفيزياء تفسيرات لفشل التجارب التي حافظت على وجود الأثير الافتراضي.

فرضية جر الأثير اقترحت أن الأثير المضيء يجر أو ينجرف داخل المادة المتحركة. وفقًا لإحدى نسخ هذه الفرضية، لا توجد حركة نسبية بين الأرض والأثير. وفقًا لنسخة أخرى، تتحرك الأرض بالنسبة للأثير ويجب أن تعتمد سرعة الضوء المقاسة على سرعة هذه الحركة ("رياح الأثير")، والتي يجب أن تكون قابلة للقياس بواسطة أدوات ثابتة على سطح الأرض. في عام 1818، اقترح أوغستين جان فرينل أن الأثير ينجرف جزئيًا مع المادة. في عام 1845، اقترح جورج ستوكس أن الأثير ينجرف تمامًا داخل المادة أو بالقرب منها.

على الرغم من تأكيد نظرية فرينل شبه الثابتة على ما يبدو من خلال تجربة فيزو (1851)، إلا أن نظرية ستوكس على ما يبدو أكدتها تجربة مايكلسون-مورلي (1881، 1887). حل هندريك لورنتز هذا الموقف المتناقض في نظريته الخاصة للأثير ، والتي نفت أي شكل من أشكال سحب الأثير. تستبعد نظرية النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين ( 1905) الأثير كوسيط ميكانيكي. ^{[1] [2] [3]}

في عام 1810، أدرك فرانسوا أراجو أن الاختلافات في معامل الانكسار لمادة تنبأت بها نظرية الجسيمات من شأنها أن توفر طريقة مفيدة لقياس سرعة الضوء. نشأت هذه التنبؤات لأن معامل الانكسار لمادة مثل الزجاج يعتمد على نسبة سرعات الضوء في الهواء وفي الزجاج. حاول أراجو قياس مدى انكسار جسيمات الضوء بواسطة منشور زجاجي في مقدمة التلسكوب. توقع أن يكون هناك نطاق من زوايا الانكسار المختلفة بسبب تنوع السرعات المختلفة للنجوم وحركة الأرض في أوقات مختلفة من اليوم والسنة. وعلى عكس هذا التوقع، وجد أنه لا يوجد فرق في الانكسار بين النجوم أو بين أوقات اليوم أو بين الفصول. كل ما لاحظه أراجو كان انحرافًا نجميًا عاديًا . ^[4]

في عام 1818، فحص أوغستين جان فرينل نتائج أراغو باستخدام نظرية الموجة للضوء. وأدرك أنه حتى لو تم نقل الضوء كموجات، فإن معامل الانكسار لواجهة الزجاج والهواء يجب أن يتغير مع تحرك الزجاج عبر الأثير لضرب الموجات الواردة بسرعات مختلفة عندما تدور الأرض، وتغيرت الفصول. اقترح فرينل أن المنشور الزجاجي سيحمل بعض الأثير معه بحيث "... يكون الأثير زائدًا داخل المنشور". ^[5] أدرك أن سرعة انتشار الموجات تعتمد على كثافة الوسط، لذلك اقترح أن سرعة الضوء في المنشور يجب تعديلها بمقدار "السحب". تُعطى سرعة الضوء في الزجاج دون أي تعديل بواسطة: ${\displaystyle v_{n}}$

${\displaystyle v_{n}={\frac {c}{n}}}$

يتم ضبط السحب بواسطة:${\displaystyle v_{d}}$

${\displaystyle v_{d}=v\left(1-{\frac {\rho _{e}}{\rho _{g}}}\right)}$

أين كثافة الأثير في البيئة، هي كثافة الأثير في الزجاج و هي سرعة المنشور بالنسبة للأثير. ${\displaystyle \rho _{e}}$${\displaystyle \rho _{g}}$${\displaystyle v}$

يمكن كتابة العامل على النحو التالي لأن معامل الانكسار، n، يعتمد على كثافة الأثير. يُعرف هذا بمعامل فرينل للسحب . ثم تُعطى سرعة الضوء في الزجاج بالمعادلة التالية: ${\displaystyle \left(1-{\frac {\rho _{e}}{\rho _{g}}}\right)}$${\displaystyle \left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}$

${\displaystyle V={\frac {c}{n}}+v\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}$

كان هذا التصحيح ناجحًا في تفسير النتيجة الصفرية لتجربة أراجو. فهو يقدم مفهوم الأثير الثابت إلى حد كبير والذي تسحبه مواد مثل الزجاج ولكن ليس الهواء. وقد أدى نجاحه إلى تفضيل نظرية الموجة للضوء على نظرية الجسيمات السابقة.

تم تأكيد معامل جر فرينل بشكل مباشر من خلال تجربة فيزو وتكراراتها. بشكل عام، وبمساعدة هذا المعامل، يمكن تفسير النتيجة السلبية لجميع تجارب انجراف الأثير الضوئي الحساسة بدرجة كافية لاكتشاف التأثيرات من الدرجة الأولى (مثل تجارب أراغو وفيزو وهوك وأيري وماسكارت ). إن فكرة الأثير الثابت (تقريبًا) تتوافق أيضًا مع الانحراف النجمي . ومع ذلك، يُنظر إلى هذه النظرية على أنها مدحضة للأسباب التالية: ^{[1] [2] [3]}

• كان من المعروف بالفعل في القرن التاسع عشر أن السحب الجزئي للأثير يتطلب أن تكون السرعة النسبية للأثير والمادة مختلفة بالنسبة للضوء ذي الألوان المختلفة - وهو ما ليس هو الحال على الإطلاق.
• تتنبأ نظرية فرينل للأثير الثابت (تقريبًا) بنتائج إيجابية من خلال تجارب حساسة بدرجة كافية لاكتشاف التأثيرات من الدرجة الثانية. ومع ذلك، فإن تجارب مثل تجربة مايكلسون-مورلي وتجربة تروتون-نوبل أعطت نتائج سلبية ضمن هامش الخطأ الخاص بها وبالتالي تعتبر دحضًا لأثير فرينل.
• في تجربة هامار التي أجراها جوستاف فيلهلم هامار في عام 1935، تم استخدام مقياس تداخل ذي مسار مشترك . تم تركيب كتل رصاصية ضخمة على جانبي ساق واحدة فقط من مقياس التداخل. يجب أن يتسبب هذا الترتيب في كميات مختلفة من مقاومة الأثير وبالتالي ينتج نتيجة إيجابية. ومع ذلك، كانت النتيجة سلبية مرة أخرى. ^[6]

بالنسبة لجورج ستوكس (1845) كان نموذج الأثير الذي لا يتأثر تمامًا أو يتأثر جزئيًا فقط بالمادة المتحركة غير طبيعي وغير مقنع، لذلك افترض أن الأثير يتم سحبه تمامًا داخل المادة وفي محيطها، ويتم سحبه جزئيًا على مسافات أكبر، ويبقى في حالة سكون في الفضاء الحر. ^{[7] [8] [9] [10]} كما أدرج هاينريش رودولف هيرتز (1890) نموذجًا كاملاً لسحب الأثير في صياغته لنظرية ماكسويل في الكهرومغناطيسية، لجعلها تتفق مع مبدأ جاليليو النسبي . أي أنه إذا افترضنا أن الأثير في حالة سكون داخل المادة في إطار مرجعي واحد، فإن التحويل الجاليلوسي يعطي النتيجة أن المادة والأثير (المحمول) يسافران بنفس السرعة في إطار مرجعي آخر. ^[1]

يمكن أن يفسر السحب الكامل للأثير النتيجة السلبية لجميع تجارب انجراف الأثير (مثل تجربة ميشيلسون-مورلي). ومع ذلك، تعتبر هذه النظرية خاطئة للأسباب التالية: ^{[1] [11]}

• أشارت تجربة فيزو (1851) إلى انجراف جزئي للضوء فقط.
• يوضح تأثير سانياك أن شعاعين من الضوء، يصدران من نفس مصدر الضوء في اتجاهين مختلفين على منصة دوارة، يتطلبان أوقاتًا مختلفة للعودة إلى مصدر الضوء. ومع ذلك، إذا تم سحب الأثير بالكامل بواسطة المنصة، فلا ينبغي أن يحدث هذا التأثير على الإطلاق.
• أجرى أوليفر لودج تجارب في تسعينيات القرن التاسع عشر، بحثًا عن أدلة على أن انتشار الضوء يتأثر بالتواجد بالقرب من كتل دوارة كبيرة، ولم يجد أي تأثير من هذا القبيل. ^{[12] [13]}

• إنه يتعارض مع ظاهرة الانحراف النجمي . في الانحراف النجمي، يتأرجح موضع النجم عند رؤيته بالتلسكوب على كل جانب من موضع مركزي بحوالي 20.5 ثانية قوسية كل ستة أشهر. هذا القدر من التأرجح هو المقدار المتوقع عند النظر في سرعة سفر الأرض في مدارها. في عام 1871، أظهر إيري أن الانحراف النجمي يحدث حتى عندما يكون التلسكوب ممتلئًا بالماء. يبدو أنه إذا كانت فرضية سحب الأثير صحيحة، فلن يحدث انحراف نجمي لأن الضوء سيسافر في الأثير الذي سيتحرك مع التلسكوب. ضع في اعتبارك دلوًا في قطار على وشك دخول نفق، وتتساقط قطرة ماء من مدخل النفق إلى الدلو في المنتصف تمامًا. لن تصطدم القطرة بالمركز في أسفل الدلو. الدلو مشابه لأنبوب التلسكوب، القطرة عبارة عن فوتون والقطار هو الأرض. إذا تم سحب الأثير، فإن القطرة ستسافر مع القطار عند إسقاطها وستصطدم بمركز الدلو في الأسفل. مقدار الانحراف النجمي، ، يعطى بواسطة:${\displaystyle \alpha }$

${\displaystyle \tan(\alpha )={\frac {v\delta t}{c\delta t}}.}$لذا:${\displaystyle \tan(\alpha )={\frac {v}{c}}}$

السرعة التي تدور بها الأرض حول الشمس، v = 30 كم/ثانية، وسرعة الضوء هي c = 299,792,458 م/ثانية، وهو ما يعطي = 20.5 ثانية قوسية كل ستة أشهر. وقد تم رصد هذا القدر من الانحراف، وهو ما يتناقض مع فرضية السحب الأثيري الكامل.${\displaystyle \alpha }$

لقد قدم ستوكس في عام 1845 بعض الافتراضات الإضافية من أجل جعل نظريته متوافقة مع النتائج التجريبية. ولتفسير الانحراف، افترض أن الأثير غير القابل للضغط لا يدور أيضًا، وهو ما من شأنه أن يعطي، فيما يتعلق بنموذجه المحدد لسحب الأثير، قانون الانحراف الصحيح. ^[7] لإعادة إنتاج معامل سحب فرينل (وبالتالي لشرح تجربة فيزو)، زعم أن الأثير يتم سحبه بالكامل داخل وسط - أي أن الأثير يتكثف عندما يدخل الوسط ويخلخل عندما يتركه مرة أخرى، مما يغير سرعة الأثير وكذلك سرعة الضوء ويؤدي إلى نفس التعبير مثل فرينل. ^[8]

على الرغم من أن نظرية الانحراف التي وضعها ستوكس كانت تعتبر قابلة للتطبيق لبعض الوقت، إلا أنه كان لا بد من التخلي عنها لأن لورنتز زعم في عام 1886 أنه عندما يكون الأثير غير قابل للضغط كما في نظرية ستوكس، وإذا كان للأثير نفس المكون الطبيعي للسرعة مثل الأرض، فلن يكون له نفس المكون المماسي للسرعة، وبالتالي لا يمكن استيفاء جميع الشروط التي وضعها ستوكس في نفس الوقت. ^[14]

وقد اقترح ثيودور دي كودريس وويلهلم وين (1900) نسخة أخرى من نموذج ستوكس . فقد افترضا أن سحب الأثير يتناسب مع الكتلة الجاذبية. أي أن الأثير يسحبه الأرض بالكامل، ولا يسحبه إلا جزئيًا أجسام أصغر على الأرض. ^[15] ولإنقاذ تفسير ستوكس للانحراف، زعم ماكس بلانك (1899) في رسالة إلى لورنتز، أن الأثير قد لا يكون غير قابل للضغط، ولكنه يتكثف بفعل الجاذبية في محيط الأرض، وهذا من شأنه أن يعطي الظروف اللازمة لنظرية ستوكس ("نظرية ستوكس-بلانك"). وعند مقارنته بالتجارب المذكورة أعلاه، يمكن لهذا النموذج أن يفسر النتائج الإيجابية لتجارب فيزو وسانياك، لأن الكتلة الصغيرة لتلك الأدوات لا يمكنها إلا سحب الأثير جزئيًا (أو لا يمكنها سحبه على الإطلاق)، وللسبب نفسه يفسر النتيجة السلبية لتجارب لودج. وهذا متوافق أيضًا مع تجربة هامر وميكلسون-مورلي، حيث يتم سحب الأثير بالكامل بواسطة الكتلة الكبيرة للأرض.

ومع ذلك، تم دحض هذه النظرية بشكل مباشر من خلال تجربة ميشيلسون-جيل-بيرسون (1925). والفرق الكبير بين هذه التجربة وتجارب سانياك المعتادة هو حقيقة أنه تم قياس دوران الأرض نفسها. إذا تم سحب الأثير بالكامل بواسطة المجال الجاذبي للأرض، فيجب توقع نتيجة سلبية - ولكن النتيجة كانت إيجابية. ^[11]

ومن الناحية النظرية لاحظ هندريك أنطون لورنتز أن فرضية ستوكس بلانك تتطلب أن سرعة الضوء لا تتأثر بزيادة كثافة الأثير بمقدار 50 ألف مرة. لذا رفض لورنتز وبلانك هذه الفرضية باعتبارها غير محتملة. ^{[1] [16]}

نظرًا لأن لورنتز أُجبر على التخلي عن فرضية ستوكس، فقد اختار نموذج فرينل كنقطة بداية. ^{[ بحاجة لمصدر ]} كان قادرًا على إعادة إنتاج معامل السحب لفرينل في عام 1892، على الرغم من أنه في نظرية لورنتز يمثل تعديلًا لانتشار موجات الضوء، وليس نتيجة لأي انجراف للأثير. لذلك، فإن أثير لورنتز ثابت تمامًا أو غير متحرك. ومع ذلك، يؤدي هذا إلى نفس المشكلة التي أصابت نموذج فرينل بالفعل: فقد وقف في تناقض مع تجربة ميشيلسون-مورلي. لذلك، قدم جورج فرانسيس فيتزجيرالد (1889) ولورنتز (1892) انكماش الطول ، أي أن جميع الأجسام تنقبض في خط الحركة بواسطة العامل . بالإضافة إلى ذلك، في نظرية لورنتز، تم استبدال التحويل الجليلي بتحويل لورنتز . ^[17]${\displaystyle {\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}$

ومع ذلك، اعتُبر تراكم الفرضيات لإنقاذ مفهوم الأثير الثابت أمرًا مصطنعًا للغاية. لذا، كان ألبرت أينشتاين (1905)، هو من أدرك أنه من المطلوب فقط افتراض مبدأ النسبية وثبات سرعة الضوء في جميع الأطر المرجعية بالقصور الذاتي ، من أجل تطوير نظرية النسبية الخاصة واستنتاج تحويل لورنتز الكامل. تم كل هذا دون استخدام مفهوم الأثير الثابت. ^[18]

كما أظهر ماكس فون لاو (1907)، فإن النسبية الخاصة تتنبأ بنتيجة تجربة فيزو من نظرية جمع السرعة دون الحاجة إلى الأثير. إذا كانت هي سرعة الضوء بالنسبة لجهاز فيزو و هي سرعة الضوء بالنسبة للماء و هي سرعة الماء: ${\displaystyle V}$${\displaystyle U}$${\displaystyle v}$

${\displaystyle U={\frac {c}{n}}}$

${\displaystyle V={\frac {c/n+v}{1+v/nc}}}$

والتي، إذا كانت v/c صغيرة، يمكن توسيعها باستخدام التوسع الثنائي لتصبح:

${\displaystyle V\approx {\frac {c}{n}}+v\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}$

وهذا مطابق لمعادلة فرينل . ^[19]

اقترح موريس أليس في عام 1959 فرضية الأثير التي تنطوي على سرعة رياح تبلغ حوالي 8 كم/ثانية، وهي أقل بكثير من القيمة القياسية التي تبلغ 30 كم/ثانية والتي دعمها علماء القرن التاسع عشر، ومتوافقة مع تجارب ميشيلسون-مورلي ودايتون ميلر ، ^[20] بالإضافة إلى تجاربه الخاصة فيما يتعلق بتأثير أليس المثير للجدل والذي لا يمكن التنبؤ به من خلال النسبية العامة. ^{[21] [22]} وعلى الرغم من الدعوة إلى الحاجة إلى نظرية أخرى للجاذبية ، ^[23] إلا أن فرضيته لم تكتسب قوة دفع كبيرة بين العلماء السائدين.

في الفيزياء الحديثة (التي تستند إلى نظرية النسبية وميكانيكا الكم )، لم يعد الأثير باعتباره "مادة مادية" ذات "حالة حركة" يلعب أي دور. لذا فإن الأسئلة المتعلقة بـ "سحب الأثير" المحتمل لم تعد تعتبر ذات معنى من قبل المجتمع العلمي. ومع ذلك، فإن السحب الإطاري كما تنبأت به النسبية العامة ، حيث تشوه الكتل الدوارة مقياس الزمكان ، مما يتسبب في تقدم مدار الجسيمات القريبة، موجود بالفعل. لكن هذا التأثير أضعف من أي "سحب أثيري" تمت مناقشته في هذه المقالة.

• تاريخ النسبية الخاصة
• اختبارات النسبية الخاصة
• اختبارات النسبية العامة
• سحب الإطار

• ويكيبيديا: النسبية الخاصة
• ريسنيك، روبرت، المفاهيم الأساسية في النسبية ونظرية الكم المبكرة ، 1972، جون وايلي وأولاده المحدودة.

• Mathpages: خطأ ستوكس