Esîr çekim teorisi

19. yüzyılda, ışığın yayılması için varsayımsal aracı olarak esîr teorisi yaygın olarak tartışıldı. Bu tartışmanın önemli bir parçası, bu ortama göre Dünya'nın hareket durumu ile ilgili soru oldu. Esîr çekim hipotezi esîrin hareket eden madde tarafından çekildiği ya da birlikte sürüklendiği ile ilgilenir. İlk değişkene göre Dünya ve esîr arasında bağıl bir hareket yoktur; ikinciye göre bağıl hareket vardır ve böylece ışık hızı, Dünya yüzeyinde ölçülen hareket hızına("esîr rüzgarı") dayanır. Özgül esîr modellerini bulan  Augustin-Jean Fresnel tarafından 1818 yılında esîrin maddeyle beraber sürüklendiğini önermiştir. Diğer model George Stokes tarafından 1845 yılından ortaya atılan esîrin 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, Lorentzesîr teorisinin esîr çekiminin tüm biçimlerini yok ettiği çalışmalarıyla (1895, 1904) çözüldü ve Albert Einstein'in (1905) çalışmalarıyla özel görelilik teorisi mekanik ortamda esîr olmadığını göstermiştir.

Kısmi esîr 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 esîrle, farklı hızlardaki dalgalara çarparken değişir.  Fresnel cam prizmanın esîrin bir kısmını prizma boyunca taşıyacağını önermiştir yani  "...esîr 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 $v_{n}$ ayarlama olmaksızın böyle formülize edilmiştir:

çekim ayarlaması $v_{d}$ :

$\rho _{e}$ çevredeki esîr yoğunluğu, $\rho _{g}$ camdaki esîr yoğunluğu ve  $v$ esîre göre prizmanın hızıdır. 

$(1-{\frac {\rho _{e}}{\rho _{g}}})$ etkeni $(1-{\frac {1}{n^{2}}})$ olarak da yazılabilir çünkü kırılma indisi n, esîr yoğunluğuna bağlıdır. Bu  Fresnel çekim katsayısı olarak bilinir. Camdaki ışık hızı:

Bu düzeltme Arago deneyinin geçersiz sonuçlarını açıklamada başarılıdır. Bu genel sabit esîr kavramının cam gibi maddeler tarafından çekildiğini önerir. Bunun başarısı, dikkati önceki parçacık teorisinden ışığın dalga teorisine çekmiştir.

Kısmi esîr çekimi sorunları

Fresnel'in çekim katsayısı doğrudan Fizeau deneyi ve tekrarları tarafından teyit edilmiştir. Genelde, katsayısının yardımıyla optik esîr sapması deneylerinin olumsuz sonuçları birinci dereceden etkileri (Arago, Fizeau, Hoek, Airy, Mascart deneyleri) tanımlamak için yeterlidir. Sabit(neredeyse) esîr kavramı yıldızsal sapma ile tutarlıdır. Ancak, bu teori aşağıdaki sebeplerle çürütülmüştür:

• 19. yüzyılda parçacık esîr çekimi esîrin bağıl hızına gerek duyduğu ve madde ışığın rengine göre değiştiği bilinir ki öyle değildir.
•  Fresnel'in sabit(neredeyse) esîr teorisi ikinci dereceden etkileri algılayacak olumlu sonuçlar sunar. Ancak, Michelson–Morley deneyi and the Trouton–Noble deneyi gibi deneyler olumsuz sonuç verir ve bu Fresnel esîrini direkt çürütür.

Tam esîr çekimi

George Stokes'in (1845) hareketli maddeden hiç etkilenmeyen ya da kısmi etkilenen esîr modeli doğal ve ikna edici değildir ve esîr maddenin içinde veya etrafında tamamen uzak mesafelerde kısmen çekilmiştir ve serbest uzayda beklemektedir. Ayrıca, Heinrich Rudolf Hertz (1890) tam esîr çekimiyle kendi düzenlediği Maxwell'in elektromanyetik teorisini, Galileo görelilik kuramına göre birleştirmiştir. Eğer esîr örnek madde içinde durmaktaysa, Galile dönüşümü bu maddenin ve esîrin başka bir örnek maddede aynı hızla seyahat ettiği sonucunu verir.

Tam esîr çekiminin sorunları

Lodge'in esîr makinesi. hassas ortak yol girişimölçerinden gelen ışık seri dönen diskle yönlendirilir.

Tam esîr çekimi tüm esîr deneylerinin(Michelson–Morley 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, esîr 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 esîr çekimine yol açar ve olumlu sonuç sunar. Ancak, sonuç yine olumsuzdur.

Tam esîr çekimi yıldızsal sapma olgusuyla tutarsızdır. Bu görselde, yıldızların sonsuz mesafede olduğunu farz edin. Sapma, gözlemcinin hızı yıldızdan gelen ışığın gidiş yönüne dik ise gerçekleşir. Solda görüldüğü üzere, teleskop, mercekte yıldız görünmeden önce eğilmelidir. Sağdaki animasyonda görüldüğü üzere, eğer esîr Dünyanın civarından çekiliyorsa, teleskop direkt yıldıza bakmalı.

• 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 esîr çekim hipotezi doğruysa yıldızsal sapma gerçekleşmez çünkü, ışık teleskop boyunca hareket eden esîrde 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, esîr sürüklenmiş demektir . Yıldızsal sapma, $\alpha$, şöyledir ki:

$\tan(\alpha )={\frac {v\delta t}{c\delta t}}.$ So: $\tan(\alpha )={\frac {v}{c}}$

Dünya'nın Güneş etrafında dönüş hızı, v = 30 km/s ve ışık hızı c = 299,792,458 m/s, $\alpha$ = 20.5 her ay 20,5 açısal saniyeye denk gelir. Bu miktarda sapma tam esîr çekim hipoteziyle çelişir.

Bu sorunlara Stokes'in cevapları

 Stokes 1845 yılından kendi teorisini deneysel sonuçlara uyması için bazı ek varsayımlar eklemiştir. Sapmayı açıklamak için,esîr çekiminin bilimsel modeli ile bağlantısı ve doğru sapma yasasında olduğu gibi sıkışmaz esîrin dönmez olduğunu varsaymıştır.  Fresnel'in çekim katsayısının yeniden üretmek için (Fizeau deneyini açıklamak için) esîrin ortamdan tamamen çekildiğini öne sürmüştür. Başka bir deyişle esîr ortama girince yoğunlaşır ve çıkınca seyrelir ve esîrin hızını değiştirir.

Stokes'in sapma teorisi bir süre uygulanabilir gözükse de 1886 yılında Lorentz sayesinde vazgeçmiştir. Stokes'in teorisindeki gibi esîr sıkıştırılamaz iken eğer esîr Dünya ile aynı hızın normal bileşenine sahipse aynı teğet bileşenine sahip olamaz ve Stokes tarafından konumlanmış durumlar aynı anda gerçekleşemez.

Yerçekimsel esîr çekimi

Stokes modelinin başka bir versiyonu Theodor des Coudres ve Wilhelm Wien (1900) tarafından hazırlanmıştır. Bunlar esîr çekimini yerçekimsel kütle ile doğru orantılı olduğunu varsaydılar. Esîr 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 esîrin 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 esîri çekebilir ve bazı sebepler dolayısıyla Lodge'in deneyindeki olumsuz sonucu da açıklayabilir. Esîr Dünya'nın büyük kütlesi sonucu tamamen çekildiği için Hammar'in ve Michelson–Morley deneyleriyle de uyumludur.

Ancak, Bu teori Michelson–Gale–Pearson deneyleriyle(1925) direkt çürütüldü. Sagnac deneyleriyle arasındaki bu büyük fark Dünya'nın dönüşünün hesaplanmasından kaynaklanır.  Eğer, esîr dünyanın yerçekimsel alanı yüzünden tamamen çekilseydi, sonuç olumsuz olurdu lakin sonuç olumlu.

Teorik açıdan Hendrik Antoon Lorentz, Stokes-Planck hipotezinin esîrden 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 esîr çekiminin sonucunu değil ışık dalgasının yayılımını temsil ediyordu. Bu sebeple, Lorentz'in esîri tamamen sabittir. Ancak, bu Fresnel modelinin aynı sorununa yol açar: Michelson–Morley deneyiyle olan çelişki. Bundan ötürü George Francis FitzGerald (1889) ve Lorentz (1892) bütün maddelerin hareket çizgisiyle katıldığı uzunluk küçülmesini ${\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}$ formülüyle açıklar. Ek olarak, Lorenz'in teorisinde Galile dönüşümü yerine Lorentz dönüşümü getirilmiştir.

Ancak, hipotezlerin birikimi sabit esîr 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 esîr kavramı kullanılmadan yapılmıştır. 

Max von Laue (1907) gösterdiği gibi, özel görelilik Fizeau deneyinin sonucunu esîre ihtiyaç duymadan ek-hız önermesiyle tahmin edebilir. Eğer  $V$ Fizeau ekipmanına göre ışık hızıysa ve  $U$ suya göre ışık hızıysa $v$ suyun hızıdır:

ki, eğer v/c küçükse binom açılımı kullanılarak genişletilebilir:

Bu Fresnel denklemiyşe aynıdır.

Özet

Modern fizikte (görelilik teorisi ve  kuantum mekaniği dayalı), esîr  "materyal özü" olarak "hareket hali" rol almaz. "Esîr 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 "esîr çekimi"nden daha zayıftır.