Esîr çekim teorisi

19. yüzyılda, ışığın yayılması için varsayımsal aracı olarak esir teorisi yaygın olarak tartışıldı. Bu tartışmanın önemli bir parçası, bu ortama göre Dünya'nın hareket durumu ile ilgili soru oldu. Esir çekim hipotezi esirin hareket eden madde tarafından çekildiği ya da birlikte sürüklendiği ile ilgilenir. İlk değişkene göre Dünya ve esir arasında bağıl bir hareket yoktur; ikinciye göre bağıl hareket vardır ve böylece ışık hızı, Dünya yüzeyinde ölçülen hareket hızına("esir rüzgarı") dayanır. Özgül esir modellerini bulan Augustin-Jean Fresnel tarafından 1818 yılında esirin maddeyle beraber sürüklendiğini önermiştir. Diğer model George Stokes tarafından 1845 yılından ortaya atılan esirin maddenin içinde ya da civarında sürüklenmesidir.
Fresnel'in neredeyse sabit teorisi Fizeau deneyi (1851) tarafından teyit edilirken, Stokes'in teorisi Michelson-Morley deneyi (1881, 1887) ile teyit edilmiştir. Bu çelişkili durum, Lorentzesir teorisinin esir çekiminin tüm biçimlerini yok ettiği çalışmalarıyla (1895, 1904) çözüldü ve Albert Einstein'in (1905) çalışmalarıyla özel görelilik teorisi mekanik ortamda esir olmadığını göstermiştir.
Kısmi esir çekimi
1810 yılında François Arago parçacık teorisi tarafından tahmin edilen bir maddenin kırılma indisinin ışık hızını hesaplamada yararlı olacağına dair bir varyasyon yarattı. Bu tahminler cam gibi maddelerin kırılma indisi ışık hızının havada ve camdaki oranına bağlı olduğu için ortaya çıktı. Arago ışık parçacıklarının teleskop önündeki cam prizmayla yaptığı kırılmanın ne ölçüde gerçekleştiğini ölçmeye çalıştı. Arago yıldızların farklı hızlarına ve Dünya'nın farklı gün ve yıllarındaki hareketine göre bir dizi farklı kırılma açısı olduğunu öne sürdü. Bu tahminlerin aksine yıldızlar, günün veya mevsimin farklı olması kırılmada değişim oluşturmadığını bulmuştur. Arago'nun bütün gözlemler sıradan yıldız sapmalarıydı.
1818 yılında Augustin-Jean Fresnel ışık dalga teorisi kullanılarak Arago sonuçlarını inceledi. Augustin-Jean Fresnel ışığın dalga olarak hareket etse bile Dünya dönüp mevsimler değiştikçe cam-hava arayüzünün kırılma indisi cam esirle, farklı hızlardaki dalgalara çarparken değişir. Fresnel cam prizmanın esirin bir kısmını prizma boyunca taşıyacağını önermiştir yani "... esir prizma içerisine girebilir".
Fresnel dalganın hız dağılımının ortamın yoğunluğuna bağlı olduğunu fark etti ve prizmadaki ışık hızının" çekim" miktarıyla ayarlanabileceğini öne sürdü. Camdaki ışık hızı ayarlama olmaksızın böyle formülize edilmiştir:
çekim ayarlaması :
çevredeki esir yoğunluğu, camdaki esir yoğunluğu ve esire göre prizmanın hızıdır.
etkeni olarak da yazılabilir çünkü kırılma indisi n, esir yoğunluğuna bağlıdır. Bu Fresnel çekim katsayısı olarak bilinir. Camdaki ışık hızı:
Bu düzeltme Arago deneyinin geçersiz sonuçlarını açıklamada başarılıdır. Bu genel sabit esir kavramının cam gibi maddeler tarafından çekildiğini önerir. Bunun başarısı, dikkati önceki parçacık teorisinden ışığın dalga teorisine çekmiştir.
Kısmi esir çekimi sorunları
Fresnel'in çekim katsayısı doğrudan Fizeau deneyi ve tekrarları tarafından teyit edilmiştir. Genelde, katsayısının yardımıyla optik esir sapması deneylerinin olumsuz sonuçları birinci dereceden etkileri (Arago, Fizeau, Hoek, Airy, Mascart deneyleri) tanımlamak için yeterlidir. Sabit(neredeyse) esir kavramı yıldızsal sapma ile tutarlıdır. Ancak, bu teori aşağıdaki sebeplerle çürütülmüştür:
19. yüzyılda parçacık esir çekimi esirin bağıl hızına gerek duyduğu ve madde ışığın rengine göre değiştiği bilinir ki öyle değildir.
Fresnel'in sabit(neredeyse) esir teorisi ikinci dereceden etkileri algılayacak olumlu sonuçlar sunar. Ancak, MichelsonMorley deneyi and the TroutonNoble deneyi gibi deneyler olumsuz sonuç verir ve bu Fresnel esirini direkt çürütür.
Tam esir çekimi
George Stokes'in (1845) hareketli maddeden hiç etkilenmeyen ya da kısmi etkilenen esir modeli doğal ve ikna edici değildir ve esir maddenin içinde veya etrafında tamamen uzak mesafelerde kısmen çekilmiştir ve serbest uzayda beklemektedir. Ayrıca, Heinrich Rudolf Hertz (1890) tam esir çekimiyle kendi düzenlediği Maxwell'in elektromanyetik teorisini, Galileo görelilik kuramına göre birleştirmiştir. Eğer esir örnek madde içinde durmaktaysa, Galile dönüşümü bu maddenin ve esirin başka bir örnek maddede aynı hızla seyahat ettiği sonucunu verir.
Tam esir çekiminin sorunları
Tam esir çekimi tüm esir deneylerinin(MichelsonMorley deneyi) olumsuz sonuçlarını açıklar. Ancak, Bu teori aşağıdaki sebeplerden dolayı hatalıdır:
Fizeau deneyi(1851) ışığın kısmi katılımını göstermiştir.
Sagnac etkisi iki ışık ışını gösterir ve dönen platformda farklı yönlerdeki aynı ışık kaynağının doğmuştur ve ışık kaynağına geri dönmek için farklı sürelere ihtiyaç duyar. Ancak, esir platformdan tamamen çekilmişse bu etki gerçekleşmez.
Oliver Lodge 1890'larda yürüüttüğü deneylerde, ışığın yayılımına dair arana kanıtlar dönen büyük kütlelere yakınlığı ile etkilendi ve böyle bir etki bulunmadı.
Gustaf Wilhelm Hammar tarafından 1935 yılında yürütülen Hammar deneylerinde ortak yol girişimölçeri kullanılmıştır. İri kurşun blokları girişimölçerin her ayağının iki tarafına da yerleştirdi. Bu düzenleme farklı miktarda esir çekimine yol açar ve olumlu sonuç sunar. Ancak, sonuç yine olumsuzdur.
Bu yıldızsal sapma olgusuyla tutarsızdır. Yıldızsal sapmada yıldızın konumu teleskopla gözlendiğinde her ay merkezi konumun her tarafı 20,5 açısal saniye sarkar. Bu sarkma miktarı Dünya'ın yörüngesindeki hızı göz önüne alındığında beklenilen değerdir. 1871 yılında Airy yıldız sapmaların teleskop suyla doldurulduğunda bile geçerli olduğunu göstermiştir. Eğer esir çekim hipotezi doğruysa yıldızsal sapma gerçekleşmez çünkü, ışık teleskop boyunca hareket eden esirde seyahat eder. Trenin üzerende tünele girmekte olan bir kova ve tünel girişinden kovanın tam merkezine düşen su damlaları hayal edin. Damla kovanın merkezine düşmeyecektir. Bu benzetmede kova teleskop borusu, damla foton ve tren Dünya'dır. Damla kovanın merkezine düşüp trenle beraber hareket ediyorsa, esir sürüklenmiş demektir. Yıldızsal sapma, , şöyledir ki:
So:
Dünya'nın Güneş etrafında dönüş hızı, v = 30 km/s, ve ışık hızı c = 299,792,458 m/s, = 20.5 her ay 20,5 açısal saniyeye denk gelir. Bu miktarda sapma tam esir çekim hipoteziyle çelişir.
Bu sorunlara Stokes'in cevapları
Stokes 1845 yılından kendi teorisini deneysel sonuçlara uyması için bazı ek varsayımlar eklemiştir. Sapmayı açıklamak için, esir çekiminin bilimsel modeli ile bağlantısı ve doğru sapma yasasında olduğu gibi sıkışmaz esirin dönmez olduğunu varsaymıştır. Fresnel'in çekim katsayısının yeniden üretmek için (Fizeau deneyini açıklamak için) esirin ortamdan tamamen çekildiğini öne sürmüştür. Başka bir deyişle esir ortama girince yoğunlaşır ve çıkınca seyrelir ve esirin hızını değiştirir.
Stokes'in sapma teorisi bir süre uygulanabilir gözükse de 1886 yılında Lorentz sayesinde vazgeçmiştir. Stokes'in teorisindeki gibi esir sıkıştırılamaz iken eğer esir Dünya ile aynı hızın normal bileşenine sahipse aynı teğet bileşenine sahip olamaz ve Stokes tarafından konumlanmış durumlar aynı anda gerçekleşemez.
Yerçekimsel esir çekimi
Stokes modelinin başka bir versiyonu Theodor des Coudres ve Wilhelm Wien (1900) tarafından hazırlanmıştır. Bunlar esir çekimini yerçekimsel kütle ile doğru orantılı olduğunu varsaydılar. Esir tamamen dünya tarafından çekilmiş ve sadece kısmi olarak dünyadaki küçük cisimler tarafından çekilir. Stokes'in sapma açıklamasını korumak için, Max Planck (1899) Lorentz ile mektup aracılığı ile esirin sıkıştırılamaz olabileceğini ama Dünya'nın çevresindeki yerçekimi sayesinde yoğunlaşacağına dair tartışmış ve bu da Stokes teorisine gerekli olan durumu sunmuştur ("Stokes-Planck teorisi"). Yukarıdaki deneylerle karşılaştırıldığında bu model Fizeau ve Sagnac deneylerindeki olumlu sonuçları açıklayabilir, çünkü o araçların küçük kütlesi sadece kısmi (ya da hiç) olarak esiri çekebilir ve bazı sebepler dolayısıyla Lodge'in deneyindeki olumsuz sonucu da açıklayabilir. Esir Dünya'nın büyük kütlesi sonucu tamamen çekildiği için Hammar'in ve MichelsonMorley deneyleriyle de uyumludur.
Ancak, Bu teori MichelsonGalePearson deneyleriyle(1925) direkt çürütüldü. Sagnac deneyleriyle arasındaki bu büyük fark Dünya'nın dönüşünün hesaplanmasından kaynaklanır. Eğer, esir dünyanın yerçekimsel alanı yüzünden tamamen çekilseydi, sonuç olumsuz olurdu lakin sonuç olumlu.
Teorik açıdan Hendrik Antoon Lorentz, Stokes-Planck hipotezinin esirden 50000 kez daha fazla olan yoğunluk ışık hızını etkilememektedir. Lorentz ve Planck kendi hipotezlerini olası olmadığı için geri çektiler.
Lorentz ve Einstein
Lorentz, Stokes hipotezini terk etmeye zorlanınca, Fresnel'in modelini başlangıç noktası olarak seçti. 1892 yılında Fresnel'in çekim katsayısını yeniden üretebilirdi, Lorentz'in teorisi esir çekiminin sonucunu değil ışık dalgasının yayılımını temsil ediyordu. Bu sebeple, Lorentz'in esiri tamamen sabittir. Ancak, bu Fresnel modelinin aynı sorununa yol açar: MichelsonMorley deneyiyle olan çelişki. Bundan ötürü George Francis FitzGerald (1889) ve Lorentz (1892) bütün maddelerin hareket çizgisiyle katıldığı uzunluk küçülmesini formülüyle açıklar. Ek olarak, Lorenz'in teorisinde Galile dönüşümü yerine Lorentz dönüşümü getirilmiştir.
Ancak, hipotezlerin birikimi sabit esir kavramının yapay olarak algılanmasını yok etti. Albert Einstein (1905), özel görelilik teorisini geliştirmek ve Lorentz dönüşümlerini tamamlamak için, eylemsiz kaynak çevrelerindeki sabit ışık hızının ve görelilik ilkesinin tek gerekli varsayım olduğunu fark etti. Bunların hepsi sabit esir kavramı kullanılmadan yapılmıştır.
Max von Laue (1907) gösterdiği gibi, özel görelilik Fizeau deneyinin sonucunu esire ihtiyaç duymadan ek-hız önermesiyle tahmin edebilir. Eğer Fizeau ekipmanına göre ışık hızıysa ve suya göre ışık hızıysa suyun hızıdır:
ki, eğer v/c küçükse binom açılımı kullanılarak genişletilebilir:
Bu Fresnel denklemiyşe aynıdır.
Özet
Modern fizikte (görelilik teorisi ve kuantum mekaniği dayalı), esir "materyal özü" olarak "hareket hali" rol almaz. "Esir çekimi"ni sorgulayan sorular artık bilimsel topluluklar tarafından anlamsız olarak nitelendirilmektedir. Lakin genel görelilikte tahmin edildiği üzere dönen kütlelerin uzayzaman mekriğini saptırması olan çerçeve sürüklenmesi, yakın parçacıkların yörüngesinin devinimine sebep olur. Ama bu etki büyüklük sırasına göre bu yazıda geçen bütün "esir çekimi"nden daha zayıftır.
Bibliyografi ve Kaynaklar
Eter teorileri
Düşünce tarihi
Fizik tarihi
Yürürlükte olmayan bilimsel teoriler