3.18 Nadharia ya etha: kutoka kwa “bahari tulivu” iliyopingwa hadi “bahari ya nishati” inayoendelea kubadilika

Nyumbani ／ Sura ya 3: Ulimwengu wa makroskopiki

I. Nadharia ya etha ilikuwa nini, na ilielezaje dunia zamani

Karne ya 19, mwanga ulionekana kama wimbi linalosafiri katika kiowevu cha ulimwengu chote kinachoitwa “etha”. Dhana kuu zilikuwa:

• Mtazamo wa dunia: Etha ilifikiriwa kuwa “bahari ya kozmiki” iliyo ya ulimwengu wote na isiyotembea, ambamo mawimbi yote ya umeme-sumaku hutikisa.
• Rejeo la absoluto: Kwa kuwa etha ilidhaniwa kuwa katika utulivu, mwendo wa kitu dhidi yake ulipaswa kuunda “upepo wa etha”.
• Alama inayoweza kupimika: Ikiwa Dunia inasafiri ndani ya etha, kasi ya mwanga katika mielekeo tofauti ingetofautiana kidogo lakini kwa kupimika, na hivyo kusogeza mistari ya mwingiliano kulingana na majira ya mwaka au kati ya mchana na usiku.

Picha hii ilionekana ya kawaida: sauti huhitaji hewa, mawimbi ya maji huhitaji uso wa maji; hivyo basi mawimbi ya mwanga pia “yanapaswa” kuwa na kiowevu.

II. Kwa nini etha ilipingwa: majaribio muhimu

Mfululizo wa majaribio ya kihistoria haukupata ishara ya anisotropia iliyotarajiwa kutokana na “upepo wa etha”.

• Interferomita ya Michelson–Morley: Ilinganisha njia za macho katika mielekeo tofauti na haikuona uhamisho wa mistari kama ulivyotabiriwa.
• Kennedy–Thorndike, Trouton–Noble na mengine: Yaliendeleza utafutaji wa anisotropia kwa urefu wa mikono na mkao tofauti, matokeo yakiendelea kuwa sufuri.
• Hitimisho na mgeuko: Matokeo yalipatana na ukweli kwamba kasi ya mwanga ya kilokali ni ile ile kwa waangalizi wote, jambo lililochochea Nadharia Maalum ya Uhusiano na picha ya anga-na-wakati ya dimensheni nne isiyohitaji jukumu la etha.

Kwa kifupi: etha haipo kama kiowevu cha kimekanika kilichotulia kinachoweza kubainishwa kupitia kasi ya “upepo”.

III. Tofauti na “bahari ya nishati” katika Nadharia ya Filamenti za Nishati (EFT)

Ukiweka taswira hizi mbili kando kwa kando, tofauti msingi zinaonekana wazi:

1. Asili ya mandhari-funzi
   • Etha: Ilidhaniwa kuwa thabiti na sare.
   • Bahari ya nishati: Kiowevu endelevu kinachochochewa na matukio na kuundwa upya papo kwa papo; kina hali, mwitikio, na kinaweza kuandikwa upya na matukio makubwa.
2. Je, kuna fremu ya mapumziko ya absoluto?
   • Etha: Inamaanisha “mapumziko ya absoluto” ya ulimwengu.
   • Bahari ya nishati: Hakuna absoluto. Ni mvutano wa kilokali na mteremko wa mvutano vinavyoweka kikomo cha uenezaji na kuelekeza njia iliyo rahisi zaidi.
3. Mtazamo kuhusu kasi ya mwanga
   • Etha: Inatarajia anisotropia kutokana na “upepo wa etha”.
   • Bahari ya nishati: Kasi ya mwanga ndiyo kikomo cha uenezaji kilokali kinachowekwa na mvutano. Ndani ya eneo dogo vya kutosha ni ile ile kwa wote; kati ya mazingira tofauti inaweza kubadilika taratibu kulingana na mvutano na kutoa muda wa safari unaotegemea njia. Ulinganifu wa kilokali unapatana na majaribio; mabadiliko ya polepole kati ya domeni hujitokeza katika vipimo vya unajimu.
4. Sifa za kiowevu
   • Etha: Hufananishwa na “chombo tulivu”.
   • Bahari ya nishati: Ina sifa mbili za kimateriali — mvutano (huweka kikomo na “njia iliyo laini zaidi”) na msongamano (huamua uwezo wa kutoa filamenti na kutunza nishati).
5. Uhusiano na tundu na nyuga
   • Etha: Mchukuzi passivu wa mawimbi.
   • Bahari ya nishati: Huwepo sambamba na filamenti za nishati. Filamenti zinaweza kutolewa kutoka baharini kuwa vitanzi na mafundo yanayotengeneza chembe, kisha kurejeshwa; wakati huohuo ramani ya mvutano wa bahari hubadilishwa kila mara na filamenti pamoja na matukio.

Kwa sentensi moja: etha ni bahari tulivu; bahari ya nishati ni bahari hai, inayoweza kuandikwa upya yenye mvutano na msongamano.

IV. Wigo wa uhalali wa majaribio yaliyosema “etha imepingwa”

Matokeo ya kale ni thabiti, lakini yalilenga dhana ya etha tulivu yenye upepo wa etha. Hayatoi jaribio wala hayakanushi kiowevu chenye mienendo chenye mvutano, kwa kuwa kipimo na swali la utafiti ni tofauti.

1. Malengo tofauti
   Majaribio ya etha yalitafuta anisotropia thabiti: tofauti ya kilokali ya kasi ya mwanga kwa mwelekeo, kwa sababu Dunia “inavukishwa na upepo” ndani ya etha. Taswira ya bahari ya nishati inasisitiza usawasawa wa kilokali wa mwelekeo (roho ya kanuni ya usawa) na mabadiliko taratibu ya vigezo kati ya mazingira. Kilokali, kasi ni ile ile; hivyo hakuna ishara ya upepo wa etha inayotarajiwa.
2. Kwa nini kasi ya mwanga kulingana na mwelekeo haikupimwa?
   • Hakuna utabiri wa tofauti ya mwelekeo katika sehemu ile ile: Katika lugha ya bahari ya nishati, mvutano (kikomo) ni skala; “hisia ya nguvu/kuhama kwa njia” hutokana na miteremko ya mvutano. Kwenye tambarare ya usawa karibu na uso wa Dunia, thamani ya mvutano huwa karibu ile ile katika mielekeo yote ya usawa (mabadiliko ni zaidi wima). Kwa hiyo kikomo cha kilokali huwa sawa katika mielekeo hiyo — jambo linaloeleza lenyewe matokeo sufuri ya Michelson–Morley.
   • Vipimo vya kwenda–kurudi huondoa “usawazishaji kwa skeli ile ile”: Hata iwapo kuna athari kidogo sana za mazingira, rula na saa ndani ya kifaa kile kile “huokwa kutoka unga ule ule”: mvutano huskeli kwa wakati mmoja kikomo cha uenezaji na viwango vya kimateriali (urefu wa mkono, fahirisi ya kupinda, modi za tundu). Interferomita hulinganisha awamu ya kwenda–kurudi; katika urefu na kifaa kile kile, usawazishaji huo hutenguliwa kwa daraja la kwanza, na hubaki masalio madogo ya daraja la pili. Vikomo vya kihistoria, na hata majaribio ya kisasa ya matundu ya macho, hufunga anisotropia kwenye viwango vya chini sana — vinavyolingana na picha ya “usawasawa wa kilokali + mteremko wima”.
   • Hakuna upepo wa etha: Hapa bahari ya nishati husafiri sambamba na mgawanyo wa tundu la karibu, badala ya kuwa kiowevu tulivu chenye “mwelekeo wa upepo” usiobadilika. Hivyo kuzungusha kifaa hakuzai mteremko thabiti wa mwelekeo.

Kwa hiyo, majaribio ya kale yanatenga “etha tulivu yenye upepo”, lakini yanapatana na bahari ya nishati iliyo sawasawa kilokali na inayobadilika taratibu kati ya domeni. Kusema “etha imepingwa” ni sahihi; kutumia majaribio yale yale kukataa kiowevu chenye mienendo chenye mvutano ni kwenda nje ya wigo wake.

V. Urithi wa kihistoria wa nadharia ya etha

Hata baada ya kupingwa, nadharia iliacha urithi chanya wa mambo matatu:

• Ngazi ya dhana: Iliweka mbele swali “je, mwanga unahitaji kiowevu?”, ikakuza majaribio sahihi sana ya optiki na kufungua njia ya moja kwa moja kuelekea uhusiano.
• Mapinduzi ya majaribio na vipimo: Kazi iliyoizunguka etha ilisukuma umahiri wa interferometria hadi ukingoni, ikawa mtangulizi wa viwango vya kisasa vya juu vya muda–masafa na hata ugunduzi wa mawimbi ya uvutano.
• Msukumo wa dhana: Intuisheni ya “bahari” ili kufafanua uenezaji na mwingiliano imebaki imara. Katika Nadharia ya Filamenti za Nishati (EFT), bahari ya nishati haihuishi upya etha; bali hujenga juu ya intuisheni hiyo kwa kuongeza mvutano wenye mienendo na sifa za kimateriali, na kuinua “bahari” kuwa kiowevu kinachoweza kupimika na kuandikwa upya kinachoeleza matukio katika mizani mbalimbali.

Kwa muhtasari

Nadharia ya etha iliweka ueneaji wa mwanga ndani ya intuisheni ya “bahari” — hatua iliyowahi kuwa muhimu — lakini toleo la “bahari tulivu yenye upepo” lilikataliwa kimajaribio. Nadharia ya Filamenti za Nishati inahifadhi intuisheni hiyo na kuiboresha kuwa bahari ya nishati iliyo na mvutano na msongamano, inayoweza kubadilishwa upya. Picha hii inalingana na matokeo sufuri ya kilokali na hutumia ramani ya mvutano inayoendelea kubadilika kufafanua muda wa safari unaotegemea njia na mgeuko mwekundu wa kimfumo kati ya domeni. Hii si kurudi kwenye etha ya zamani, bali ni hatua mbele kuelekea “bahari mpya” inayoweza kuishi na kuandikwa upya.