مقدمه
 

همچنانکه مي‌دانيم براي آشنا کردنِ ذهنِ يک دانشجو، که با منطقِ فيزيکِ کلاسيک عادت کرده است، با نسبيّت معمولاً ابتدائاً به آزمايشاتي استناد مي‌شود که ادعا مي‌شود که فيزيکِ کلاسيک قادر به توجيه آنها نيست، که بعد از آن بر اساسِ اين شکست هاي فيزيکِ کلاسيک تئوريِ نسبيت فورموله بندي و توضيح داده مي‌شود. مهمترين آزمايشات از اين نوع که در ابتدايِ تقريباً هر کتابِ متنِ مقدماتي درباره‌ي نسبيت ذکر مي‌شود عبارتند از شکستِ آزمايشِ مايکلسن-مورلي و جذب نور ستارگان توسط خورشيد به‌هنگامِ عبور از کنارِ آن.
از آنجا که شکستِ آزمايشِ مايکلسن-مورلي نخستين آزمايشي بود که به‌ويژه ازلحاظِ تاريخي به‌نظر مي‌رسيد تأييدي بر نسبيت باشد هنوز بدان به‌عنوانِ اولين گواه در تأييدِ نسبيت در کُتُبِ متنِ مقدماتي استناد مي‌شود. موضوع اين مقاله اثباتِ اين است که شکستِ آزمايش مايکلسن-مورلي نمي‌تواند تأييدي بر نسبيت باشد، و درست نيست که به‌عنوانِ اولين آزمايش، که مي‌تواند مُشعِر بر مهمترين آزمايش نيز باشد، در تأييدِ نسبيت در کُتب متن ارائه گردد.
در کتاب‌هاي مقدماتي فعليِ نسبيت توضيح داده مي‌شود که قبل از ظهور نسبيت فرضِ وجودِ اِتِر به‌صورتِ ماده‌ي لطيفِ نافذي در فضا که به‌عنوانِ محيطِ واسطه‌اي براي انتقالِ امواج الکترومغناطيسي عمل مي‌کند به‌عنوانِ يک اصلِ يقيني براي سال‌هاي زيادي بديهي شمرده مي‌شد؛ همچنين فرض مي‌شد که زمين در گردشش به گِِردِ خورشيد اِتِرِ ثابت را شکافته و سوراخ مي‌کرد و به‌پيش مي‌رفت ولذا بايد بادي اِتري بر سطح زمين وجود مي‌داشت. لزوماً سرعتِ چنين بادي در جهات مختلف فرق مي‌کرد، پس براساس اين حقيقت، آزمايشِ مايکلسن-مورلي براي آشکارسازي چنين بادي طراحي شد. اما اين آزمايش چنين بادي را که به‌علت گردش زمين به گردِ خورشيد مورد انتظار بود آشکار نکرد.
در توجيهِ اين شکست برطبقِ فرض وجود اتر ادعا شد که درواقع زمين اتر را همراه خود مي‌کشد ولذا بادي اِتِري وجود ندارد تا به‌وسيله‌ي آزمايش مايکلسون-مورلي آشکار شود. در رد نظريه‌ي کشش اتري اغلب نويسندگانِ کتاب‌هاي فيزيک مدرن و نسبيت ابيراهي ستاره‌اي را به‌عنوان دليلِ عمده‌اي معرفي کرده‌اند درحالي‌که ايشان در اشتباهي آشکار، که نشان دادنِ آن هدف اين مقاله است، مي‌باشند.
لازم است بگوييم که در استدلال زير سرعتِ بيش از c (سرعت نور در خلأ) براي بعضي ناظرها درنظر گرفته مي‌شود. اين امر به صحت استدلال لطمه‌اي وارد نمي‌آوَرَد زيرا فرض بر اين است که تئوري نسبيت (براي دانشجو( هنوز ثابت نشده است تا سرعت‌هاي بيش از c غيرقابلِ قبول باشد. ما تنها مي‌خواهيم ثابت کنيم که وجود ابيراهيِ ستاره‌اي واقعاً نمي‌تواند نظريه‌ي کشش اتر توسط زمين، که سببِ آن مثلاً مي‌تواند (توسط دانشجو) جاذبه‌ي گرانشيِ زمين بر ذرات بسيار ريزِ تکيل دهنده‌ي اتر تصور شود، را رد کند.
در حقيقت، در تحقيقي جامع، اين احتمال بررسي شده است که فضا پر از دوقطبي‌هاي الکتروستاتيکي و مغناطوستاتيکي بسيار ريز است. در آن تحقيق توضيح داده شده است که چگونه يک موج الکترومغناطيسي مي‌تواند در اين ذرات، هنگامي که جهت‌گيريِ دوقطبي‌هاي الکتروستاتيکي باعث جهت‌گيريِ دوقطبي‌هاي مغناطوستاتيکي مي‌شود که به‌نوبه‌ي خود جهت‌گيريِ دوقطبي‌هاي الکتروستاتيکيِ بيشتري را موجب خواهد شد و الي‌آخر، گسترش يابد. اين تحقيق، موضوع اين مقاله نيست اما نشان‌دهنده‌ي اين حقيقت است که اگر فرض کنيم که فضا پر از ذرات بسيار ريزي مي‌باشد که به‌صورتِ حاملي براي گسترشِ موج الکترومغناطيسي در فضا عمل مي‌کنند، اين فرض به‌وسيله‌ي استدلال‌هايي قوي، ارائه شده در تحقيقي ديگر، حمايت مي‌شود. اجازه دهيد اين ذرات را «اتر» بناميم، اما شکلِ جديدِ آن‌را درنظر داشته باشيم.

چگونه ابراهيِ ستاره‌اي مي‌تواند نتيجه شود
 

استدلالِ منجر به رد وجود اتر به اين قرار است: فرض مي‌کنيم اتر وجود دارد. آزمايش مايکلسن-مورلي عدم وجود باد اتريِ مورد انتظار را بر روي زمين نشان مي‌دهد، و وجود ابيراهي ستاره‌اي (که با زاويه‌ي α به‌دست آمده از رابطه‌ي tanα=v/c، که در آن v سرعت مداري سطح زمين است، نشان داده مي‌شود[1]) وجود باد اتريِ مورد انتظار بر سطح زمين را نشان مي‌دهد. چون اين دو آزمايش باهم در تناقضند پس نتيجه مي‌گيريم که فرض ابتدايي، يعني فرضِ وجود اتر، اشتباه بوده است.
موضوع اين بخش نشان دادنِ اين است که استدلال فوق معتبر نيست (البته واضح است که اثبات عدم اعتبارِ اين استدلال لزوماً وجودِ اتر را ثابت نمي‌کند)، زيرا وجود ابيراهيِ ستاره‌اي وجود باد اتري مورد انتظار بر روي زمين را ايجاب نمي‌کند، و حتي اگر اتر، همراهِ زمين در گردشش به‌دورِ خورشيد کشيده شود هنوز همان ابيراهيِ ستاره‌ايِ فوق‌الذکر را خواهيم داشت:
اگر فرض کنيم که اترِ اطراف زمين در گردشِ زمين به‌دورِ خورشيد به‌چنان شکلي درحالِ کشيده شدن همراه با زمين باشد که اِترِ کشيده شده متشکل از لايه‌هايي به‌گونه‌اي باشد که سرعت‌هاي آنها همانگونه که فاصله‌هاي آنها از زمين افزايش مي‌يابد کاهش يابد (و به‌اين‌ترتيب مثلاً پايين‌ترين لايه داراي همان سرعتِ سطح زمين و بالاترين لايه داراي همان سرعتِ اترِ ثابت، يعني سرعتِ صفر، باشد)، آنگاه ثابت خواهيم کرد که همواره رابطه‌ي tanα=v/c را براي α، زاويه‌ي ابيراهي ستاره‌اي، به‌دست خواهيم آورد که در آن v سرعت مداري سطح زمين و c سرعت نور در اترِ ثابت است. شکل 1(a) را بدون ازدست دادنِ کُلّيتِ بحث درنظر مي‌گيريم.

(در اين شکل، S سطح زمين است. n1 پايين‌ترين لايه‌ي اِترِ کشيده شده است. n2 لايه‌ي بالايي اتر است. n3 اتر ثابت است. v1 سرعتِ لايه‌ي پايينيِ اترِ کشيده شده نسبت به اترِ ثابت است. v2 سرعت لايه‌ي بالاييِ اترِ کشيده شده نسبت به اترِ ثابت است. c سرعت نور در اتر ثابت است.) هنگامي‌که نور به‌صورت عمودي به سطح S2 مي‌خورَد مي‌توانيم بگوييم که از نقطه‌نظرِ لايه‌ي بالاييِ اترِ کشيده شده اولاً نور داراي سرعتِ c نسبت به اتر ثابت است و ثانياً اترِ ثابت داراي سرعتِ -v2 نسبت به لايه‌ي بالاييِ اِترِ کشيده شده است، بنابراين نور داراي سرعت c2 نسبت به لايه‌ي بالاييِ اتر کشيده شده مي‌باشد.به‌همين ترتيب، ازآنجا که نور داراي سرعتِ c2 نسبت به لايه‌ي بالاييِ اترِ کشيده شده مي‌باشد و لايه‌ي بالاييِ اترِ کشيده شده داراي سرعتِ -(v1-v2) نسبت به لايه‌ي پايينيِ اترِ کشيده شده مي‌باشد پس نور داراي سرعتِ c1 نسبت به لايه‌ي پايينيِ اترِ کشيده شده مي‌باشد و لايه‌ي پايينيِ اترِ کشيده شده داراي سرعتِ -(v-v1) نسبت به سطح زمين مي‌باشد پس نور داراي سرعتِ c0 نسبت به سطحِ زمين مي‌باشد.
نتايجِ فوق، يک‌جا، در دياگرامِ برداريِ شکلِ 1(b) نشان داده شده است که در آن α همان زاويه‌ي ابيراهيِ ستاره‌اي است. به‌سادگي از دياگرام ديده مي‌شود که داريم tanα=(v-v1+v1-v2+v2)/c=v/c. پس اگر، بنابر فرض، اِتِرِ مجاورِ سطح زمين کاملاً درحالِ کشيده شدن همراه با زمين باشد (يعني مثلاً در بحث فوق داشته باشيم v1=v) همان نتيجه‌ي tanα=v/c را به‌همان روش خواهيم داشت. بنابراين ابيراهيِ ستاره‌اي اصلاً در تناقض با کششِ اتري نيست، يا به‌عبارتِ ديگر، ابيراهيِ ستاره‌اي ، شکافتن و سوراخ کردنِ اتر به‌وسيله‌ي زمين در گردشِ مداري‌اش که باعث بادي اتري شود را ايجاب نمي‌نمايد.
در استدلال فوق ما از يک تقريبِ خوب استفاده کرديم: اگر مثلاً در شکل 2، c1 بردار سرعت نور در لايه‌ي 1 و v بردار حرکت لايه‌ي 2 نسبت به 1 باشد ما فرض کرديم که بردار سرعت نور در لايه‌ي 2 همان c1-v مي‌باشد درحالي‌که بادرنظر گرفتن اُپتيک محيط‌هاي 1 و 2 دقيقاً اينگونه نيست، اما درصورتي‌که نسبتِ |v/c1| خيلي کوچک باشد اين تقريب، بسيار خوب است.

يک مدل ساده‌ي قابل قياس با آنچه در استدلال فوق ارائه شد هنگامي است که اتوموبيلي درحالِ حرکت در باراني است که به‌طور عمودي مي‌بارد. قطراتِ باران، تحت زاويه‌اي حاده نسبت به جهت حرکت اتوموبيل، به سقف اتوموبيل برخورد مي‌کنند، و اگر ما اجازه دهيم که ازطريقِ سوراخي در سقفِ اتوموبيل، قطرات باران وارد اتوموبيل شوند مشاهده خواهيم کرد که آنها تحت همان زاويه‌ي حاده به کف اتوموبيل مي‌رسند هرچند هواي داخل اتوموبيل درحال کشيده شدن همراه با اتوموبيل است.

يک مُدل اِتِري
 

حال، اجازه دهيد وجود اتر را در مفهومِ جديدش قبول کنيم. آزمايش مايکلسون-مورلي نشان مي‌دهد که اين اتر درحال کشيده شدن همراه با زمين در گردشِ زمين به‌دور خورشيد مي‌باشد، و اين خود امري معقول است زيرا ذرات ريز (سازنده‌ي اِتِرِ ما) به‌طور اجتناب‌ناپذير داراي جرم مي‌باشند گه جِرمِ کَلانِ زمين آنها را قوياً جذب مي‌کند، و بالتبع توده‌ي ثابتي از آنها اطراف زمين همراه با زمين در گردشِ آن به‌دورِ خورشيد درحالِ کشيده شدن مي‌باشند.
ازطرفِ ديگر، آزمايش مايکلسون-گِيل[2 و 3] نشان مي‌دهد که در هر نقطه روي سطح زمين بادي اتري ناشي از چرخشِ محوري زميندر داخلِ يک اترِ ثابتِ محيط بر زمين وجود دارد (زيرا اين آزمايش، جابه‌جاييِ فرانژ موردِ انتظار براي چرخشِ زمين به‌دورِ خود را آشکار مي‌کند، يا به‌عبارتِ ديگر، سرعتِ زاويه‌ايِ چرخشِ محوري زمين را مي‌توان از اين آزمايش به‌دست آورد). اين اِترِ ثابتِ احاطه کننده مي‌تواند همان توده‌ي اِتِريِ ثابتِ پيش گفته در آزمايشِ مايکلسون-مورلي باشد. وضعيتِ کلي را مي‌توانيم به يک آهنرباي قويِ استوانه‌اي تشبيه کنيم که مثلاً يک لوله‌ي شيشه‌ايِ نازک آن‌را پوشانده است و اين لوله (با آهنرباي داخل آن) با سرعتي بسيار درحالِ عبور داده شدن از ميانِ توده‌اي پهناور و انبوه از براده‌هاي بسيار ريز آهني مي‌باشد. مطمئناً مقداري از براده‌ها همچنان براي هميشه به سطح بيرونيِ لوله چسبيده باقي مي‌مانَد و هميشه همراه با آن، در هر شکلِ حرکتِ دلخواهِ آن، مي‌باشد. حال فرض کنيد که، در ضمن، آهنرباي استوانه‌اي حول محور خويش در داخل لوله، بدونِ هيچ چرخشِ لوله، بچرخد. روشن است که هيچ تغييري در موقعيتِ براده‌هاي چسبيده رخ نخواهد داد. اينکه توده‌ي اِترِ اطراف زمين، زمين را در چرخشِ محوريش همراهي نمي‌کند با درنظر گرفتنِ اينکه تقريباً اصلاً اصطکاکي بين اين توده و سطح زمين يا مولکول‌هاي هوا، به‌علت خُردي بسيارِ اين ذرات، وجود ندارد کاملاً قابلِ درک است. وضعيت تقريباً شبيه اتمسفرهاي اطراف زمين و خورشيد مي‌باشد که چون بعضاً نمي‌توانند آنها را در چرخش‌هاي محوريشان همراهي کنند وجود بادهايي را برسطحِ آنها باعث مي‌شوند.
باد اتريِ ناشي از چرخشِ محوريِ زمين مي‌تواند براي توجيهِ جابه‌جاييِ کوچکِ فرانژ مشاهده شده در آزمايشِ مايکلسن-مورلي مورد استفاده قرار گيرد (توجه داشته باشيد که گزارش‌هايي مبني بر مشاهده‌ي جابه‌جايي‌هاي فرانژ قابلِ اندازه‌گيري‌اي در اين آزمايش وجود دارد ليکن اين جابه‌جايي‌ها همواره بسيار کوچک‌تر از ميزانِ پيش‌بيني شده براي سرعتِ گردشِ زمين به‌دور خورشيد، که بسيار بيش از سرعتِ خطيِ چرخشِ آن به‌دورِ خود است، مي‌باشد[1]).

اثرِ حضور آب
 

حال به شکلِ 3(a) توجه کنيد. فرض کنيد c' سرعت نور در توده‌ي اتريِ همراهي کننده‌ي زمين است که به‌طور عمودي بر سطح آب خورده است. برطبق ضريب کششِ فرِنِل[1]، v'-v'/n2 سرعتِ اترِ کشيده شده به‌وسيله‌ي سرعت آب، v'، که همان سرعتِ خطيِ سطح زمين در چرخشِ محوريش است، مي‌باشد. با کمکِ دياگرامِ برداري نشان داده شده در شکل 3(b) خواهيم داشت c'1=c'+(-(v'-v'/n2)) که سرعتِ نورِ مذکور نسبت به اترِ داخلِ آب است. اما بزرگيِ اين سرعت پس از ورود نور به‌داخلِ آب، البته اگر شرايط را طوري ترتيب دهيم که اين ورود به آب به‌صورتِ عمودي اتفاق افتد، به‌وسيله‌ي يک ضريب شکستِ مناسب، مثلاً n'، به‌شکل c'1/n' تعديل مي‌شود. بنابراين تنها با تقريب (اما با تقريبي بسيار خوب) رابطه‌ي tanα=v'/c' را براي زاويه‌ي ابيراهي α' ناشي از چرخش محوري زمين هنگامي که آزمايش در آب صورت گيرد به‌دست خواهيم آورد (درواقع داريم tanα'>v'/c'). چون v' درمقايسه با سرعت مداري، بسيار کوچک است، نه‌تنها اين ابيراهيِ اضافيِ بسيار کوچکِ ناشي از انجام آزمايش در آب، بلکه حتي اصولاً ابيراهيِ ناشي از چرخشِ محوري زمين، به‌وسيله‌ي اسباب‌هايي که عمدتاً براي آشکارسازيِ ابيراهيِ مداري طراحي شده‌اند تقريباً غيرقابلِ تشخيص است؛ لذا عملاً درحالِ حاضر اختلافي بين ابيراهي‌هاي به‌دست آمده در آزمايش‌هاي انجام شده در داخل و خارج آب وجود ندارد.

پي نوشت ها :
 

[1] آشنايي با نسبيت خاص، رابرت رزنيک، ترجمه‌ي گودرزي، مرکز نشر دانشگاهي
[2] مقدمه‌اي بر نورشناسي نوين، گرانت ر. فاولز، ترجمه‌ي کياست‌پور و اُحسبيان، انتشارات دانشگاه اصفهان
[3] نورشناخت، يوجين هِشت و آلفرد زاياک، ترجمه‌ي بيات مختاري و مجيدي ذوالبنين،مرکز نشر دانشگاهي
 

منبع: https://sites.google.com/site/essaysforrasekhoon/home/ether.pdf
/ن