Como todos sabemos, el agua es el medio que propaga las ondas de agua y el aire es el medio que propaga las ondas sonoras. No se puede propagar sin un medio. La luz del Sol viaja a la Tierra a través del vacío, y la luz de galaxias a miles de millones de años luz de distancia también viaja a la Tierra a través del espacio. ¿Por qué las ondas de luz pueden propagarse en el vacío? ¿Cuál es su medio de comunicación? Los físicos descubrieron el medio de propagación de la luz: el "éter".
La primera persona en proponer el término "éter" fue el antiguo filósofo griego Aristóteles. Aristóteles creía que el mundo inferior estaba compuesto por cuatro elementos: fuego, agua, tierra y aire. Añade el quinto elemento "éter" al reino superior. Después de que Newton descubrió la gravedad, se encontró con un problema difícil: en el vacío del universo, ¿a través de qué medio se propaga la gravedad?
Para encontrar una solución completa, Newton resucitó la teoría del "éter" de Aristóteles, creyendo que el "éter" es el medio de propagación de la gravedad en el vacío del universo. Más tarde, los físicos desarrollaron la teoría del "éter" y creyeron que el "éter" es también el medio de propagación de las ondas de luz. La luz, como la gravedad, viaja a través del éter.
También plantearon la hipótesis de que todo el universo estaba lleno de "éter", un medio fino e imperceptible compuesto de esferas elásticas muy pequeñas. En el siglo XIX, la teoría electromagnética de Maxwell también describió el medio a través del cual se propagan la luz y las ondas electromagnéticas como un "éter" ingrávido y absolutamente penetrable.
El “éter” tiene propiedades tanto electromagnéticas, de transmisión electromagnética como mecánicas. Es un marco de referencia absolutamente estático y todos los movimientos son relativos a él. De esta forma, la teoría electromagnética está en armonía con la mecánica newtoniana. El concepto de que el "éter" es el portador común de la luz, la electricidad y el magnetismo es generalmente aceptado por la gente, formando el "negocio por negocio".
Pero después de que se confirmó la existencia del "éter", surgió un nuevo problema: cuando la Tierra orbita alrededor del Sol a una velocidad de 30 kilómetros por segundo, debe recibir un golpe frontal a una velocidad de 30 kilómetros por segundo. El "viento etéreo" que proviene del éter también debe influir en la propagación de la luz. La aparición de este problema ha hecho que la gente explore la existencia del "viento de éter".
Con el fin de observar la existencia del "viento de éter", en 1887, Michelson (1852-1931) colaboró con el químico y físico estadounidense Murray (1838-1923) para realizar un estudio en Cleveland.
Los resultados experimentales muestran que no importa si la dirección del movimiento de la Tierra es la misma o opuesta a la dirección de la luz, la velocidad medida de la luz es la misma y no hay movimiento relativo entre las la tierra y el "éter" imaginario. Por lo tanto, no existe "éter" o "espacio inmóvil absoluto". Debido a que este experimento es fácil de entender en teoría y preciso y confiable en su método, no hay duda de que los resultados experimentales niegan la existencia del "éter".
El experimento de Michelson-Morley pone a los científicos en un dilema. Quizás tengan que abandonar la teoría del éter, que alguna vez explicó muchos fenómenos electromagnéticos y luminosos. Si no se atreven a renunciar al éter, entonces deben abandonar la teoría del movimiento terrestre de Copérnico, que es más antigua que "Obtener el éter". La física clásica está realmente perdida cuando se trata de este famoso experimento.
2. La segunda nube oscura: radiación del cuerpo negro y "desastre ultravioleta"
A la misma temperatura, diferentes objetos tienen diferente brillo luminoso y colores (longitudes de onda). Los objetos oscuros tienen una gran capacidad para absorber radiación. Por ejemplo, la tasa de absorción de ondas electromagnéticas del carbón puede alcanzar alrededor de 80. El llamado "cuerpo negro" se refiere a un objeto ideal que puede absorber completamente la radiación externa sin ningún reflejo ni transmisión. La tasa de absorción es 100.
No existe un cuerpo negro real, pero una cavidad con pequeños agujeros en su superficie puede considerarse como un cuerpo negro aproximado. Porque la radiación que ingresa a la cavidad a través del orificio pequeño no pasará a través del orificio pequeño después de reflejarse y absorberse varias veces en la cavidad.
A finales de 1919, el famoso experimento de Lummel (1860-1925) y otros, el experimento de radiación del cuerpo negro, descubrió que la energía de la radiación del cuerpo negro no es continua y su distribución según la longitud de onda es sólo relacionado con la temperatura del cuerpo negro. Desde la perspectiva de la física clásica, los resultados de este experimento son increíbles.
¿Cómo interpretar los resultados de los experimentos de radiación de cuerpo negro? En aquella época, la gente partía de la física clásica y buscaba leyes experimentales. La premisa y el punto de partida son incorrectos, lo que finalmente conduce al fracaso.
Por ejemplo, el físico alemán Wayne estableció una fórmula para la distribución de la energía de la radiación del cuerpo negro con la longitud de onda, pero esta fórmula sólo se ajusta a los hechos experimentales cuando la longitud de onda es más corta y la temperatura es más baja. El físico británico Rayleigh y el físico y astrónomo Jenkins creían que la energía es una cantidad física en constante cambio y establecieron una fórmula de radiación del cuerpo negro que es más consistente con los hechos experimentales cuando la longitud de onda es más larga y la temperatura es más alta.
Pero a juzgar por la fórmula de Rayleigh-Jenkins, en la región de onda corta (región ultravioleta), a medida que se acorta la longitud de onda, la intensidad de la radiación puede aumentar infinitamente. Esto está lejos de los datos experimentales y es absolutamente falso. . posible. Por eso, Ellen Fister calificó este fracaso de "desastre ultravioleta". Su fracaso ilustra sin duda el fracaso de la teoría de la física clásica en la radiación del cuerpo negro, por lo que también es un "desastre" para toda la física clásica.
Antecedentes históricos
El 27 de abril de 1900, Lord Kelvin pronunció un discurso en la Royal Institution titulado "Nubes oscuras se ciernen sobre la teoría del calor y la fotodinámica en el siglo XIX". La belleza y claridad de la teoría dinámica, en la que Kelvin afirmaba en su conferencia que el calor y la luz eran modos de movimiento, estaban ahora oscurecidas por dos nubes oscuras. —Lord Kelvin, Nubes oscuras del siglo XIX sobre el calor y la teoría fotodinámica.
Las dos nubes oscuras mencionadas por Kelvin se refieren al resultado cero de la medición experimental de Michelson-Morley y al problema de la teoría de la radiación del cuerpo negro. Debido a su gran confianza en la teoría de Newton, Kelvin también creía que estas dos cuestiones eventualmente se aclararían. En su discurso propuso sus propias soluciones a ambos problemas.
En cuanto a la cuestión de por qué otras sustancias además de la luz no interactúan con el éter "coloidal" en la teoría ondulatoria, Kelvin propuso que el éter es estirable, por lo que el experimento de Michelson-Morley no puede negar completamente el libre movimiento del éter. .
En cuanto al problema de la radiación del cuerpo negro, Kelvin creía que Maxwell, Boltzmann y Rayleigh no necesitaban defender el eterno teorema de la ecualización de energía. "La forma más fácil de resolver el problema es negar esta conclusión."
La atención de Kelvin a estas dos cuestiones reflejaba la preocupación general de la comunidad física de la época por el sistema teórico de la física, pero lo que probablemente Lo que no esperaba era que estas dos nubes oscuras trajeran una repentina tormenta a la física, subvirtiendo el marco del antiguo sistema teórico y propiciando el nacimiento de los dos principales sistemas teóricos de la física del siglo XX: la relatividad y la mecánica cuántica.