Experimentul Michelson-Morley

Experimentul MichelsonMorley, unul din cele mai importante i celebre experimente din istoria fizicii, a fost efectuat n 1887 de Albert Michelson i Edward Morley la ceea ce este astzi Case Western Reserve University. Este n general considerat ca fiind prima dovad solid mpotriva teoriei eterului. Experiena aceasta a fost numit i "punctul de plecare al aspectelor teoretice ale celei de-a doua revoluii tiinifice." Pentru munca sa, Albert Michelson a primit Premiul Nobel pentru Fizic n 1907.

Teoriile din fizic de la sfritul secolului al XIX-lea postulau c, aa cum undele de ap au nevoie de un mediu prin care s se deplaseze (apa), iar undele sonore au nevoie de un mediu prin care s se deplaseze (aer sau ap), aa i undele luminoase aveau nevoie de un mediu, numit "eter luminifer," sau "eter universal." Deoarece lumina poate cltori prin vid, s-a presupus c vidul trebuie s conin mediul prin care se deplaseaz lumina. ntruct viteza luminii este att de mare, construirea unui experiment care s detecteze prezena i proprietile acestui eter necesitau ingeniozitate deosebit.

n fiecare an, Pmntul parcurge o distan uria n orbita sa n jurul Soarelui, la o vitez de aproximativ 30 km/secund sau peste 108.000 km pe or. Soarele nsui se deplaseaz n jurul centrului galaxiei la o vitez i mai mare, i sunt i alte micri, la nivele superioare ale structurii universului. Deoarece Pmntul este n micare, era de ateptat ca curgerea eterului n jurul Pmntului s produc un "vnt eteric" detectabil. Dei ar fi posibil, teoretic, ca micarea Pmntului s fie egal cu cea a eterului la un anumit moment de timp, nu se putea ca Pmntul s rmn n repaus permanent n raport cu eterul, datorit variaiei att a vitezei, ct i a direciei micrii.

n orice punct dat de pe suprafaa Pmntului, magnitudinea i direcia vntului ar varia de-a lungul zilei sau de-a lungul anului. Analiznd viteza de ntoarcere a luminii n direcii diferite la momente de timp diferite, se credea c se poate msura micarea Pmntului relativ la eter.

Diferena ateptat la viteza luminii msurat era foarte mic, dat fiind c viteza Pmntului n orbita sa n jurul Soarelui era cam o sutime de procent din viteza luminii. Un numr de fizicieni au ncercat s fac aceste msurtori la jumtatea secolului al XIX-lea, dar precizia necesar era prea mare pentru condiiile existente. De exemplu, aparatul FizeauFoucault putea msura viteza luminii cu o eroare de 5%, nici mcar aproape de ce era necesar pentru a msura vntul eteric.

Michelson avea o soluie pentru problema construirii unui dispozitiv suficient de precis pentru a detecta curgerea eterului. Aparatul pe care l-a proiectat, numit mai trziu interferometru, trimitea o singur raz de lumin alb printr-o oglind semiargintat folosit pentru a mpri raza n dou raze care se deplaseaz n unghi drept una fa de cealalt. Dup ce ies din oglind, razele se deplaseaz pn n capetele unor brae lungi de unde erau reflectate napoi n centru pe oglinzi mici. Apoi se recombinau n captul ndeprtat al oglindei ntr-o lentil, producnd un ablon de interferen constructiv i destructiv bazat pe lungimea braelor. Orice mic schimbare n durata de timp ct stteau undele pe drum ar fi fost observat ca o deplasare a poziiilor franjelor de interferen. Dac eterul ar fi fost staionar n raport cu Soarele, atunci micarea Pmntului ar produce o deplasare a franjelor de o douzeciicincime din mrimea unei franje.

Michelson a efectuat cteva msurtori cu un aparat experimental n 1881, i a observat c deplasarea ateptat de 0,04 nu se vedea, dar se vedea o deplasare mai mic, de aproximativ 0,02. ns aparatul su era un prototip, i avea erori experimentale prea mari pentru a trage vreo concluzie despre vntul eteric. Pentru msurarea vntului eteric, era necesar un experiment mult mai precis i mai strict controlat. Prototipul a avut, ns, succes n a demonstra c metoda de baz era fezabil.

Apoi, Michelson i-a unit eforturile cu Edward Morley i a petrecut destul de mult timp, cheltuind sume considerabile de bani pentru a crea o versiune mbuntit cu mai mult dect suficient precizie pentru a detecta deplasarea. n experimentul lor, lumina era reflectat n mod repetat nainte i napoi de-a lungul braelor, mrind calea parcurs la 11 m. La aceast distan, deplasarea trebuia s fie 0,4 franje. Pentru a face aceasta uor de detectat, aparatul a fost plasat ntr-o ncpere nchis de la subsolul unei cldiri de piatr, eliminnd majoritatea efectelor termice sau oscilatorii. Oscilaiile au fost reduse construind aparatul deasupra unui bloc uria de marmur, care plutea ntr-un bazin cu mercur. Precizia calculat era de ordinul a o sutime de franj.

Bazinul de mercur permitea deplasarea aparatului, astfel nct s poat fi rotit la orice unghi posibil n raport cu "vntul eteric". Chiar i ntr-o perioad scurt de timp un oarecare efect trebuia s fie observat doar rotind dispozitivul, astfel nct un bra s stea pe direcia vntului, iar cellalt n direcie opus. Ar fi fost uor de msurat deplasrile i pe perioade mai mari de timp.

n timpul fiecrei rotaii complete a dispozitivului, fiecare bra era paralel cu vntul de dou ori i perpendicular tot de dou ori. Acest efect trebuia s produc msurtori sinusoidale cu dou extreme i dou treceri prin zero. n plus, dac vntul se datora doar orbitei Pmntului n jurul Soarelui, vntul i-ar fi schimbat complet direcia est-vest de-a lungul unei perioade de 12 ore. n aceast conceptualizare ideal, sinusoidele pentru zi i cele pentru noapte ar avea faze opuse.

Dup toate aceste pregtiri, experiena a devenit una din cele mai celebre experiene ratate de pn acum. n loc s furnizeze informaii privind proprietile eterului, articolul din 1887 al lui Michelson i Morley din American Journal of Science a dat deplasarea ca fiind doar a patruzecea parte din deplasarea ateptat, dar deoarece deplasarea este proporional cu ptratul vitezei, ei au tras concluzia c viteza msurat este aproximativ o esime din viteza ateptat pentru micarea Pmntului pe orbit i sigur mai puin de o ptrime. Dei a fost msurat aceast vitez, a fost considerat mult prea mic pentru a aduce dovezi ale existenei eterului, iar ulterior s-a spus c este n marja de eroare experimental care ar putea permite ca viteza s fie chiar i zero.

Morley nu era convins de propriile rezultate i a continuat experimente adiionale cu Dayton Miller. Miller a lucrat pe experimente din ce n ce mai mari, culminnd cu unul cu o lungime a braului efectiv de 32 m la o instalaie de la Observatorul de pe Muntele Wilson. Pentru a evita posibilitatea ca vntul eteric s fie blocat de ziduri, a folosit un atelier cu ziduri subiri, n principal din pnz. A msurat consistent un mic efect pozitiv care varia cu fiecare rotaie a dispozitivului, cu ziua sideral i anual. Msurtorile sale au dat o vitez de revoluie a Pmntului de doar ~10 km/s n loc de valoarea ateptat de ~30 km/s. El a rmas convins c aceasta s-a datorat antrenrii pariale n curent, i nu a ncercat s gseasc o explicaie mai detaliat.