Etern upplöstes med ljusets hastighet

Alltmer övertygas jag om att elektrodynamiken för rörliga kroppar, som den för närvarande framställs, inte motsvarar verkligheten utan kommer att kunna framställas enklare. Införandet av namnet ”etern” i de elektriska teorierna har lett till föreställningen om ett medium, om vars rörelse man kunde tala utan att man, som jag tror, kan förbinda en fysikalisk mening med utsagan.”

Så skrev Albert Einstein i ett brev till sin blivande fru Mileva under sommarlovet 1899, efter tredje läsåret vid Polytechnikum i Zürich. Han var då 20 år gammal.

Många fysiker har i dag svårt att förstå den starka ställning som begreppet etern hade i fysiken innan Einsteins speciella relativitetsteori av år 1905 blev allmänt accepterad. För dagens studenter i fysik och astronomi är nog etern bara en parentes, trots att den har en lång och intressant historia som rymmer centrala filosofiska och vetenskapliga problem inom fysiken.

Håller samman världen

Historien börjar för 2 400 år sedan med Platon, som liksom många andra grekiska filosofer ansåg att världsalltet är uppbyggt av fyra element – jord, vatten, luft och eld. För Platon svarade elementen mot de mest symmetriska kroppar som går att konstruera – polyedrar. Dessa geometriska figurer trodde man förkroppsligade gudomliga idéer i världsalltets skapelse.

Eftersom det finns fem polyedrar men bara fyra grundelement blev det en över. Den kallades dodekaedern, ”vilken Gud använde när han tecknade världsalltets omkrets”, med Platons ord i Timaios. Därför placerade Platon dodekaedern längst ut i stjärnhimlen – enligt grekiskt språkbruk i ”aetern”. Detta tog Aristoteles fasta på. Etern blev för honom den kristallsfär som ligger längst ut i universum.

Det skulle dröja ända till 1600-talet innan etern blev ett begrepp som användes för att förklara fysikaliska fenomen. De flesta av dåtidens fysikteorier hörde snarare till metafysikens domäner än till fysiken, eftersom de var omöjliga att testa eller observera. Trots detta var det ett stort framsteg att man försökte lösa gåtfulla filosofiska problem med rationella begrepp.

De första teorierna om etern hade som främsta mål att förklara hur krafter och ljus överförs mellan kroppar som inte står i direkt förbindelse med varandra. Till exempel hur gravitationen verkar mellan solen och jorden, liksom andra fjärrverkande fenomen som magnetiska och elektrostatiska krafter. Hur kan kroppar åtskilda av ett till synes tomt rum känna av varandras närvaro? Lika underliga uppfattades de experiment som visade att värme och ljustrålar passerar rakt igenom lufttomma behållare.

Den förklaring som låg närmast till hands var att subtil materia, en osynlig eter, penetrerar världsalltet – att det bara är våra bristfälliga sinnen som inte kan uppfatta denna materia som dåtidens naturfilosofer kallade impoderabel, ”ovägbar”.

Bär fram ljuset

Den som hade störst inflytande över att etern blev ett fysikaliskt begrepp var den brittiske fysikern och naturfilosofen Isaac Newton, verksam för omkring 300 år sedan. Först var han skeptisk till idén, eftersom etern var en hypotes gripen ur luften (även bokstavligen!). Men Newton blev mycket förbryllad när han fann att då vitt ljus träffar tunna glasplattor eller svagt krökta linser bildas koncentriska ringar i regnbågens alla färger. I sinnrika experiment kunde han framställa upp till sju ringar, alla med likadan periodisk fördelning av färgerna. Ringarna spred sig som vågor efter en sten som faller mot en plan vattenyta.

Detta stämde illa med Newtons uppfattning att ljus består av partiklar, ljuskorpuskler som han kallade dem. Ringarna passade bättre ihop med en annan tolkning av fenomenet, nämligen att ljus är en vibration, en våg som bärs fram av etern, något som holländaren Christiaan Huygens och britten Robert Hookes förfäktade.

Men Newton ville inte gå med på att ljus är en vågrörelse. Hans skäl till det var att ljustrålar rör sig rätlinjigt och uppvisar skarpa skuggor, vilket strider mot att de kunde vara vågor. Newtons lösning, som han dock inte var helt nöjd med eftersom han inte kunde bevisa den, var att de färgglada ringmönstren utgör vågrörelser. Och en våg kräver ett bärande medium – precis som ljudvågor bärs av luften. Detta var något som alla fysiker före Einstein förutsatte: att vågor alltid kräver ett medium för att kunna förflytta sig.

Newtons idé var att färgringarna är en indirekt avbildning av eterns struktur. För vissa vinklar och avstånd samverkar ljusets korpuskler med etervågorna, och då uppstår en specifik färg. För andra geometrier motverkar ljuspartiklarna varandra och då försvinner färgen. Precis som i modern fysik trodde alltså Newton att ljuset är både partiklar och vågor – allt beroende på vilket experiment man utför. Newton fick kritik för denna dubbla lösning på problemet som han besvarade med att säga:

”Men de som inte uppskattar detta kan anta att ljus är något annat slags samordnad emission, eller en impuls eller ett medium, eller en ande som strömmar genom etern, eller vad som helst som man kan föreställa sig gagnar detta ändamål. För att undvika dispyt och göra denna hypotes allmän, låt var och en ha sin idé; vad än ljus må vara, så anser jag att det består av strålar av olika storlek, styrka och form.”

Förståndet räcker inte till

När han år 1686 publicerade sitt stora verk, Naturfilosofins matematiska principer, hade han också fått kritik av kontinentala naturfilosofer, som tysken Gottfried Wilhelm Leibniz, för att han inte lyckats förklara ”vad gravitationen innerst inne är”. Vad Newton i stället hade gjort var att med en matematisk formel beskriva gravitationen. Den talade om exakt hur – dock inte varför – styrkan i gravitationskraften varierar med avståndet mellan kropparnas tyngdpunkter och deras massor. Med samma formel kunde han exakt beskriva ett fallande äpples färd till marken och hur planeterna ”faller” mot solen, alltså hur gravitationskraften kan hålla kvar planeterna i deras banor runt solen.

Vad hade hans kolleger förväntat sig i stället? Troligtvis en teori för hur etern överför gravitationen mellan olika kroppar och föremål. Därför fortsatte många samtida filosofer att snarare tro på den franske filosofen René Descartes hypotes om att det är mekaniska virvlar som får planeterna att röra sig runt solen i stället för Newtons beskrivning av gravitationen som en universell kraft. Newton var själv osäker på hur den överförs:

”… att en kropp verkar på en annan på avstånd genom vakuum, utan ett medium av någonting alls, … är för mig en stor absurditet, som jag inte tror någon filosofiskt skolad människa kan ansluta sig till.”

För honom var det nog uppenbart att det mänskliga intellektet inte räcker till för att förstå hur ljuset och gravitationen förmedlas: den yttersta förklaringen är inte mekanisk utan andlig. Han menade ändå att många fysikaliska fenomen, som ljus och magnetism skulle bli svåra att beskriva utan en fysikalisk eter.

Newton var också den förste som gjorde beräkningar på eterns egenskaper. Han kom fram till att den måste vara oerhört mycket tunnare och mer elastisk än luften i atmosfären. Annars skulle etern bromsa planeternas rörelser och inte klara av att fortplanta ljuset med dess höga hastighet som redan då var känd. Han föreslog också experiment för att testa om etern verkligen existerar. Men det skulle dröja 200 år, till slutet av 1800-talet, innan någon lyckades genomföra dem.

Ljus som vågrörelse

Newtons fysik stod som starkast i början av 1800-talet. Det var framför allt de franska fysikerna och matematikerna med fransmannen Pierre Simon de Laplace i spetsen, som mycket framgångsrikt tillämpade och vidareutvecklade ”naturfilosofins matematiska principer”. Laplace gjorde ett tankeexperiment med en demon som behärskade Newtons mekanik och kunde räkna blixtsnabbt. Dessutom visste demonen exakta lägen och hastigheter hos alla partiklar i hela världsalltet. Med denna kunskap skulle det vara möjligt att i minsta detalj förutsäga framtiden för hela universum, hävdade Laplace. Den fria viljan skulle med andra ord vara en illusion. Men Gud då? frågade kejsar Napoleon. Nej, den hypotesen behöver jag inte, svarade Laplace – för honom var det Newton som var Gud.

Som alltid i vetenskapen finns det människor som ifrågasätter det etablerade – oftast har de fel, men någon gång händer det att en ny tanke slår igenom. För det nya fruktbara om ljuset och eterns fysik svarade britten Thomas Young och fransmannen Augustinus Fresnel. Särskilt den senare var en begåvning av osedvanliga mått. Han lyckades år 1822 visa att Youngs teori om ljuset som en vågrörelse var nästan korrekt. Ty endast om ljuset är vågor kunde man matematiskt beskriva hur det bryts, sprids och reflekteras i olika kroppar.

Men vågorna är av annat slag än vad Young hade tänkt sig. De är nämligen transversella och våglängden är oerhört kort. I en transversell våg sker rörelsen vinkelrätt mot vågens utbredning, precis som en stående våg i en gitarrsträng. Denna upptäckt stärkte teorin om etern, eftersom ljusvågor utan en eter som ”bär” fram vågen ansågs otänkbar.

Jorden släpade etern med sig

Fresnel funderade mycket på hur jorden och de andra himlakropparna rör sig i förhållande till etern. Dåtidens astronomiska observationer talade för att ljuset från åtminstone alla närbelägna stjärnor rör sig lika fort. Detta var mycket märkligt, eftersom vissa av stjärnorna rör sig mot jorden och andra bort från jorden. Enligt Newtons fysik skulle ljuset från de förra få högre hastighet än de senare, men så var det inte i verkligheten.

Fresnel förklarade den konstanta ljushastigheten med att den ljusbärande etern rör sig oberoende av stjärnornas hastighet. Det innebär att etern skulle kunna vara det absoluta rum som, enligt Newton, all slags rörelse skulle relateras till. Fresnel tänkte sig att jorden delvis drar med sig etern, och han införde därför en konstant som talade om hur stor medsläpningen var. Enligt Fresnel skulle medsläpningen vara störst i optiska material med stort brytningsindex.

I mitten av 1800-talet kunde fysikerna för första gången mäta ljusets hastighet på jorden. Det visade sig då att farten avtar ju optiskt tätare materialen är. Detta tolkades som en effekt av eterns medsläpning precis som Fresnel hade antagit.

Etern var ett oerhört vitalt begrepp på 1800-talet, och många trodde att dess rörelse snart skulle gå att mäta. En vanlig missuppfattning är att den berömde skotske fysikern James Clark Maxwell med sin elektromagnetiska fältteori kom att slå undan benen för teorierna om etern. I själva verket var det precis tvärtom. För Maxwell var det självklart att elektricitet och magnetism ytterst är mekaniska fenomen i etern. Hur kunde de annars verka i tomma rum? Maxwells fyra ekvationer, som på ett estetiskt fulländat vis beskriver alla slags elektromagnetiska effekter, står sig bra än i dag. Numera ser vi materiens elektroner som källorna till de elektromagnetiska kraftfälten. Men för Maxwell fanns källorna i etern. Det var där som subtil materia virvlade runt och alstrade elektromagnetiska fält och spred radiovågor. Det är märkligt att Maxwells teori blev rent matematiskt helt korrekt ändå!

Etern onödig

Stora delar av det sena 1800-talets fysik kan ses ett fruktlöst försök att rädda mekaniken från den grundliga revidering som atomteorin och ljusets fysik krävde. I slutet av seklet, år 1897, gjorde de amerikanska fysikerna Albert Michelson och Edward Morley ett berömt experiment – de mätte om ljusets hastighet påverkas av jordens rörelse i förhållande till etern. Till mångas besvikelse förblev etern även denna gång undflyende. Etern gav sig inte till känna, utan ljusets hastighet förblev konstant.

Ett radikalt nytänkande krävdes alltså för att gå vidare. Och var det någon som stod för nytänkande i fysiken vid förra sekelskiftet, så var det den unge ”tekniska experten av tredje graden” vid patentbyrån i Bern, Albert Einstein. Även om etern bara var ett av problemen som ledde fram till relativitetsteorin, så var den en viktig pusselbit för honom – kanske den viktigaste.

Einstein påpekade till exempel att det vore märkligt om naturen skulle ha en inbyggd ”medsläpningskoefficient” som gav just den korrekta ljushastigheten. Här låg en hund begraven. Han påpekade att en annan svaghet med Fresnels teori var att den gjorde åtskillnad mellan om det är källan eller observatören som rör sig. Det innebar att fysikens lagar skulle vara olika beroende på var man befinner sig.

Det sägs ofta att det negativa utfallet av Michelson och Morleys experiment var avgörande för att idén om etern övergavs. För Einstein var dock experimentet oväsentligt, för han var ändå helt övertygad om att den speciella relativitetsteori som han lade fram år 1905 var korrekt.

En av kärnpunkterna i relativitetsteorin är påståendet att ljusets hastighet i tomrum är och alltid förblir densamma, en konstant. Etern upplöstes därmed. Men Einstein var noga med att betona att han inte hade ”bevisat” att etern inte existerar. Däremot var den en onödig hypotes – den behövdes inte för att förklara ljusets speciella egenskaper. Genom att låta kraftfält i vakuum ta över eterns roll, blev fysiken mycket enklare att begripa. Likväl är det inte så lätt att intuitivt förstå begreppen vakuum och kraftfält. De ska närmast ses som abstrakta matematiska konstruktioner som tvingar sig på det mänskliga intellektet och ger en geometrisk behandling av fysiken som har varit mycket framgångsrik.