הגילוי שהאור לא זקוק לתווך הוא דוגמה לדרך שבה השיטה המדעית מפריכה הנחות קודמות ומשנה תפיסות שגויות. זה נושא לוח השנה החדש של מכון דוידסון לחינוך מדעי
בסוף המאה ה-19 ניצבה הפיזיקה בפני תעלומה. באותה תקופה העריכו הפיזיקאים שהאור חייב לנוע בתווך כלשהו כדי להתקדם – כמו גלי מים שנעים בבריכה או גלי קול שנעים באוויר, גם האור זקוק לתווך שבתוכו יוכל לנוע. מכיוון שגם אורם של כוכבים רחוקים מגיע אלינו, המשמעות היא שהתווך הזה צריך למלא את היקום כולו, וגם את החלל החיצון. הם קראו "האֶתֶר נושא האור" (Luminiferous Aether), או בקיצור – אֶתֶר. אם האֶתֶר ממלא את כל היקום, הרי שגם כדור הארץ נע בתוך האֶתֶר, כך שיש ביניהם מהירות יחסית. דרך אחרת לנסח את זה היא שהאֶתֶר נע יחסית לכדור הארץ ויוצר מעין רוח. מכיוון שתנועת כדור הארץ סביב השמש ידועה, אפשר לחשב את המהירות והכיוון הצפויים של רוח האֶתֶר, ואולי גם להבין מהו התווך המסתורי הזה.
בשנת 1887 תכננו הפיזיקאים האמריקאים אלברט מייקלסון (Michelson) ואדוארד מורלי (Morley) ממכון קייס למדע יישומי באוהיו (כיום אוניברסיטת קייס וסטרן ריזרב) ניסוי שיאפשר למדוד את השפעת רוח האֶתֶר, באמצעות סוג חדש של אינטרפרומטר שפיתח מייקלסון.
אינטרפרומטר הוא מכשיר שמאפשר למדוד הפרש זמנים קטן בין שני גלים, בעזרת תופעת ההתאבכות. המכשיר מפצל קרן אור לשתי קרניים ניצבות זו לזו. אפשר לגרום לכל קרן לנוע מרחק רב בזרוע שלה בין מראות, ולאחר מכן לחזור אל הגלאי. אם משהו – כמו האֶתֶר למשל – עיכב את אחת הקרניים, הן לא יגיעו לגלאי בדיוק באותו רגע. במונחים מקצועיים יהיה ביניהם הפרש פאזות, מה שמאפשר למדוד את מידת העיכוב של הקרן. זו השיטה שבאמצעותה גילו את הגלים הכבידתיים ב-2016.
בניסוי של מייקלסון ומורלי, קרן אחת נעה בכיוון ההתקדמות של כדור הארץ, והאחרת בניצב לו, כך שרוח האֶתֶר הייתה אמורה להשפיע עליה ולהאט אותה. כדי לנטרל השפעות של תנודות הקרקע או האוויר, המערכת שלהם הושקעה בתוך בריכת כספית. הם חזרו על הניסוי פעמים רבות מאוד, בשעות שונות ביממה ובעונות שונות של השנה, אבל בכל המדידות הקרניים הגיעו לגלאי ביחד – שום דבר לא עיכב אחת מהן בדרכה כפי שציפו. החוקרים המאוכזבים הגיעו למסקנה שהמכשור שלהם לא היה רגיש דיו כדי למדוד את השפעת האתר על קרני האור.
חוקר אחר בעל שם, הפיזיקאי ההולנדי הנדריק לורנץ (Lorentz), הציע אפשרות נוספת: כדור הארץ מתכווץ מעט בכיוון התנועה, בדיוק במידה שמבטלת את ההשפעה הנמדדת של האֶתֶר. לורנץ לא הסתפק בהצעת הרעיון, הוא גם פיתח מערכת משוואות, "טרנספורמציית לורנץ", שמאפשרת לעבור ממערכת ייחוס אחת לשנייה – תנועה עם כיוון רוח האֶתֶר או בניצב לה.
אולם הפתרון לתעלומה היה הרבה יותר פשוט. המדידות של מייקלסון ומורלי היו מדויקות להפליא, והן הצביעו על הממצא המתבקש: אין שום אֶתֶר. קרינה אלקטרומגנטית, ובכלל זה האור הנראה, יכולה לנוע מצוין גם בריק מוחלט, בלי שום תווך לעבור בו. עד מהרה גם התבררה החשיבות המעשית של התגלית הזאת, עם המצאתה של שפופרת הריק שהולידה פיתוחים כמו צילום הרנטגן. מבחינת התפיסה הקוסמולוגית, לטרנספורמציית לורנץ נמצא עד מהרה שימוש אחר. המשוואות האלה היו כלי חשוב בפיתוח תיאוריית היחסות של איינשטיין. לורנץ חשב שהחומר מתכווץ בהשפעת התנועה, ואיינשטיין המחיש שהמרחב עצמו הוא שמתכווץ.
איור של מנורה נחה על כסא נוח ומשתזפת | יוסי לגזיאל
השיטה המדעית היא מנגנון יעיל להפליא של בחינה ותיקון. מה שאנחנו חושבים שאנחנו יודעים היום עשוי להשתנות מחר, כשראיות חדשות והסברים טובים יותר ישנו את מה שאנחנו יודעים על המציאות.
לוח השנה של מכון דוידסון עומד הפעם בסימן בחינה מחדש של מוסכמות. אנו מזמינים אתכם להתקדם איתנו, חודש אחרי חודש, מההשערות שנחשבו פעם אמת, לתיאוריות המוצקות יותר שבאמצעותן אנו מסבירים את המציאות כיום. אך מי יודע? אולי גם בהן נגלה בעתיד חורים ושגיאות, ומלאכת התיקון תעזור לנו להבין טוב יותר את המציאות שאנו חיים בה.
