הכישלון הכי מוצלח בהיסטוריה של הפיזיקה – על ניסוי מייקלסון-מורלי

בין החודשים אפריל ליולי בשנת 1887 ביצע הפיזיקאי אלברט מייקלסון בשיתוף עם עמיתו אדוארד מורלי סדרה של ניסויים מיוחדים ומדויקים שכמותם טרם נעשו. הניסויים כשלו כשלון חרוץ בהשגת מטרתם.

אבל כגודל הכשלון והאכזבה מתוצאות הניסויים כך גודל ההערכה שקיבלו הצמד מהקהילה המדעית ושאנחנו חווים להם עד היום.

מבולבלים? אז בואו ונתחיל מההתחלה.

***

מהו גל?

גל הוא הפרעה שמתקדמת במדיום כלשהו. גלים בים, למשל, הם שינוי בגובה פני המים שמתקדם במרחב. גובה הגל הוא ההפרעה והמדיום הוא המים. גל קול הוא שינוי בצפיפות האוויר שמתקדם במרחב. השינוי בצפיפות הוא ההפרעה והמדיום הוא האוויר. שינוי זה יכול לנוע מהנקודה בה הוא נוצר, למשל חצוצרה, ועד לאוזן שלנו. מה שמגיע לאוזנינו הן לא המולקולות שיצאו מפי החצוצרה, אלא ההפרעה שהתקדמה והרעידה בנו את עור התוף.

תמונה 1: גל בים סוער. במקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Brocken Inaglory.

במאה ה-19, בעקבות עבודותיהם של תומאס יאנג (Young) ואוגוסטין פרנל (Fresnel), הגיעו המדענים למסקנה שאור הוא גל. אם כן, מהי ההפרעה, וחשוב יותר, מהו המדיום? מה בעצם מתנדנד?

התשובה לשאלות אלה היתה האֶתֶר. האור הוא הפרעה המתקדמת באתר. האתר, יהא אשר יהא, הוא זה שמתנדנד.

מה היה ידוע על אותו אתר?

האתר מילא את כל החלל ולכן נחשב לנוזלי. מהירותו של גל מכאני תלויה בקשיחות המדיום שבו הוא נע. ככל שחומר קשיח יותר, כך מהירות הגל בו גבוהה יותר. ידוע שמהירות האור היא עצומה ולכן ניתן להסיק שהאתר קשיח מאוד, ואם הוא נוזל, אז הוא נוזל לגמרי לא דחיס. מצד שני גרמי השמיים נעים דרכו ללא כל הפרעה ולכן הוא נוזל חסר מסה וללא צמיגות. צירוף של התכונות הללו ותכונות נוספות הצביעו על חומר קסום ונפלא.

רמת הביטחון בתיאורית האתר היתה גבוהה למדי, וכל שנותר הוא למדוד את קיומו בניסוי באופן ישיר.

***

כאשר זורקים לנחל אבן, נוצרות אדוות שנעות מנקודת הפגיעה החוצה בצורת מעגלים הולכים וגדלים. אם נזרוק את אותה אבן לתוך נחל ובו מים זורמים על מי מנוחות בכיוון מוגדר, נראה את אותן אדוות נוצרות ומתפשטות אך גם נעות כמכלול בכיוון זרימת הנחל. הסיבה לכך היא שהאדוות הן גלים שנוצרים על פני המדיום שהוא המים, ובמקרה של הנחל המדיום כולו נע ולוקח איתו לטיול את הגלים שנוצרים עליו. מאותה סיבה, גלים הנעים על פני הנחל ינועו במהירות שונה ביחס לגדת הנחל אם נשלח אותם בכיוון זרימתו או בניצב לכיוון זרימתו (מגדה לגדה).

כדור-הארץ נע בקירוב במסלול מעגלי סביב השמש במהירות של 108,000 קמ"ש. האֶתֶר הוא הנחל שהזכרתי קודם וכדה"א נע בתוכו (ראו איור 2). אם אני מדליק פנס אני מייצר קרן אור, כלומר גלים על גבי האתר. אם כך, מהירות גלי האור צריכה להיות שונה אם באותו הרגע כדה"א נע בכיוון זרימת הנחל לעומת מצב ובו כדה"א נע בניצב לזרימת הנחל. כלומר, תיאורית האתר חוזה ששתי קרני אור שיצאו יחדיו בכיוונים שונים יעברו בפרק זמן זהה מסלולים באורך שונה, כתלות בכיוון שלהן ביחס לכיוון 'זרימת' האתר.

איור 2: כדה"א נע דרך 'רוח' האתר. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Cronholm144.

ניתן להשתמש בתוצאה הזאת של התיאוריה כדי לבדוק בצורה ישירה את קיום האתר. הבעיה העיקרית היא שמהירות האור גדולה ב-4 סדרי גודל ממהירות כדה"א ושהפרש הזמנים בין שתי קרני האור יהיה תלוי ביחס המהירויות בריבוע. כלומר, נדרש מכשיר מדידה מספיק רגיש ומדויק שיכול להבחין בהבדלים מזעריים.

***

אלברט מייקלסון (Michelson) היה פיזיקאי אמריקאי עם כישרון לתכנון ובנייה של מכשירי מדידה מדויקים במיוחד. בעודו משרת כקצין בצי האמריקאי הוא עסק במדידת מהירות האור בדיוק רב. מייקלסון בנה מכשיר מיוחד ששמו המוזר הוא 'אינטרפרומטר' (interferometer) ושבעזרתו יוכל למדוד הפרשי מהירויות קטנים מאוד.

האינטרפרומטר של מייקלסון מורכב מקרן אור שיוצאת ממקור ופוגעת במראה חצי מעבירה המוצבת בזווית. לאחר המפגש עם המראה הקרן מתפצלת לשתי קרניים, אחת היא זאת שעברה את המראה והמשיכה בכיוון התנועה המקורי, ושניה נעה בניצב לכיוון התנועה מקורי (ראו איור 3). שתי הקרניים פוגשות מראות במרחק זהה מהמראה החצי מעבירה וחוזרות על עקבותיהן. חלק מהאור משתי הקרניים הללו יגיע אל מסך המוצב בניצב למסלול המקורי (חלק תחתון של איור 3).

איור 3: אינטרפרומטר מייקלסון. הקרן מתפצלת לשתיים וכל חלק עובר מסלול אחר עד להתאחדות הקרניים והגעה למסך. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש FL0 ועובד על ידי המשתמשים Epzcaw ו-Stigmatella_aurantiaca, ואנוכי.

כאשר שני גלים פוגשים זה את זה הם מתחברים. תוצאת החיבור תלויה במצב של כל גל ביחס לגל השני. אם הגלים בפאזה זהה, כלומר מקסימום אל מקסימום ומינימום אל מינימום, הגל המחובר יהיה מוגבר. אם שני הגלים באנטי-פאזה, כלומר מקסימום למינימום, הגל המחובר יתאפס. כל תוצאה אחרת היא תוצאת ביניים בין שתי המצבים האלה. לאחר חיבור שני הגלים באינטרפרומטר נקבל על המסך תמונה שבה בחלק מהנקודות יש חיבור חיובי ובחלק שלילי, ומכיוון שמדובר באור נקבל תבנית של אזורים מוארים ואזורים חשוכים. תמונה זאת נקראת תבנית התאבכות (ראו תמונה 4). במידה והקרניים באינטרפרומטר עברו מרחקים שונים (פאזה שונה) אחת מהשניה תתקבל על המסך תבנית התאבכות מוסטת ביחס למקרה בו עברו מרחקים שווים.

תמונה 4: תמונה התאבכות. עקיפה של קרן לייזר דרך חריר. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Wisky.

כעת ניתן לכוון את הקרן המקורית הנכנסת לאינטרפרומטר בזוויות שונות ביחס לכיוון זרימת האתר על ידי סיבוב המתקן כולו ולמדוד את ההבדלים בהסטה בתבנית ההתאבכות בין הניסויים השונים (ראו אנימציה 5).

אנימציה 5: אינטרפרומטר מייקלסון בפעולה. מצד שמאל אין מהירות יחסית בין המערכת לאתר. מימין יש מהירות יחסית בין האתר למערכת. המקור לאנימציה: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Stigmatella aurantiaca.

***

בניסיונותיו הראשונים לא הצליח מייקלסון לראות הבדל משמעותי בתוצאות בין זוויות שונות. עקב כך, בשנים 1885-1887, עבד מייקלסון יחד עם אדוארד מורלי (Morley) כדי לשפר את רגישות המכשיר. לדוגמה, כדי לשכך את הרגישות לתנודות מהסביבה הם הציבו את האינטרפרומטר על משטח אבן גדול שצף על בריכה של כספית.

איור 6: הצבת אינטרפרומטר מייקלסון במעבדה. לקוח מהדיווח שכתבו מייקלסון ומורלי על הניסוי בשנת 1887, דרך ויקיפדיה.

להפתעתם ולאכזבתם של מייקלסון, מורלי ושל קהילת הפיזיקאים, לא הצליחו השניים למדוד שינוי משמעותי בתבנית ההתאבכות בין הזוויות השונות. לא משנה לאן כיוונו את המערכת, אם מדדו בקיץ או בחורף, ביום או בלילה, שום דבר לא השתנה במידה מספקת כדי להתאים לתיאורית האתר.

הניסוי של מייקלסון ומורלי נכשל כישלון חרוץ בהוכחת קיומו של האתר, והכישלון הזה צרב במיוחד למייקלסון שלא הפסיק להאמין בתיאוריה. עם זאת, חשיבותו של הניסוי היא עצומה. הוא למעשה היה העדות החזקה הראשונה לכך שאין כזה דבר אתר. בנוסף הניסוי הראה שמהירות האור זהה לכל הצופים ולא מושפעת ממהירות יחסית. המחשבה הזאת הובילה לכיווני מחקר חדשים, כמו למשל לטרנספורמציית לורנץ.

הכישלון הנהדר של אלברט מייקלסון קנה לו הערכה רבה בקהילת המדענים, ובשנת 1907 הוענק לו פרס הנובל בפיזיקה.