Experimentul Michelson-Morley, cel mai faimos experiment „ratat”

Experimentul Michelson–Morley, unul din cele mai importante și celebre experimente din instoria fizicii a fost efectuat în anul 1887 de Albert Michelson și Edward Morley la ceea ce este astăzi Case Western Reserve University (Ohio), publicat în același an. Este în general considerată ca fiind prima dovadă solidă împotriva teoriei eterului. Experiementul acesta a fost numit și „punctul de plecare al aspectelor teoretice ale celei de-a doua revoluții științifice”. Pentru munca sa, Albert Michelson a primit Premiul Nobel pentru Fizică în anul 1907.

Experimentul a vizat compararea viteza luminii în direcții perpendiculare, încercând să detecteze mișcarea relativă a materiei prin eterul staționar luminifer (“aether wind”). Rezultatul a fost negativ, deoarece diferența așteptată dintre viteza luminii în direcția mișcării prin eterul prezumat și viteza în unghi drept, s-a constatat că nu există; acest rezultat este, în general, considerat a fi prima dovadă puternică împotriva teoriei eterice.

SCURT ISTORIC

Michelson avea o soluție pentru problema construirii unui dispozitiv suficient de precis pentru a detecta curgerea eterului. Aparatul pe care l-a proiectat, numit mai târziu interferometru, trimitea o singură rază de lumină albă printr-o oglindă semiargintată folosită pentru a împărți raza în două raze care se deplasează în unghi drept una față de cealaltă. După ce ies din oglindă, razele se deplasează până în capetele unor brațe lungi de unde erau reflectate înapoi în centru pe oglinzi mici. Apoi se recombinau în capătul îndepărtat al oglinzii într-o lentilă, producând un șablon de interferență constructivă și destructivă bazat pe lungimea brațelor. Orice mică schimbare în durata de timp cât stăteau undele pe drum ar fi fost observată ca o deplasare a pozițiilor franjelor de interferență. Dacă eterul ar fi fost staționar în raport cu Soarele, atunci mișcarea Pământului ar produce o deplasare a franjelor de o douăzecișicincime din mărimea unei franje.

Michelson a efectuat câteva măsurători cu un aparat experimental în 1881, și a observat că deplasarea așteptată de 0,04 nu se vedea, dar se vedea o deplasare mai mică, de aproximativ 0,02. Însă aparatul său era un prototip și avea erori experimentale prea mari pentru a trage vreo concluzie despre vântul eteric. Pentru măsurarea vântului eteric, era necesar un experiment mult mai precis și mai strict controlat. Prototipul a avut, însă, succes în a demonstra că metoda de bază era fezabilă.

Apoi, Michelson și-a unit eforturile cu Edward Morley și a petrecut destul de mult timp, cheltuind sume considerabile de bani pentru a crea o versiune îmbunătățită cu mai mult decât suficientă precizie pentru a detecta deplasarea. În experimentul lor, lumina era reflectată în mod repetat înainte și înapoi de-a lungul brațelor, mărind calea parcursă la 11 m. La această distanță, deplasarea trebuia să fie 0,4 franje. Pentru a face aceasta ușor de detectat, aparatul a fost plasat într-o încăpere închisă de la subsolul unei clădiri de piatră, eliminând majoritatea efectelor termice sau oscilatorii. Oscilațiile au fost reduse construind aparatul deasupra unui bloc uriaș de marmură, care plutea într-un bazin cu mercur. Precizia calculată era de ordinul a o sutime de franjă.

Bazinul de mercur permitea deplasarea aparatului, astfel încât să poată fi rotit la orice unghi posibil în raport cu „vântul eteric”. Chiar și într-o perioadă scurtă de timp un oarecare efect trebuia să fie observat doar rotind dispozitivul, astfel încât un braț să stea pe direcția vântului, iar celălalt în direcție opusă. Ar fi fost ușor de măsurat deplasările și pe perioade mai mari de timp.

În timpul fiecărei rotații complete a dispozitivului, fiecare braț era paralel cu vântul de două ori și perpendicular tot de două ori. Acest efect trebuia să producă măsurători sinusoidale cu două extreme și două treceri prin zero. În plus, dacă vântul se datora doar orbitei Pământului în jurul Soarelui, vântul și-ar fi schimbat complet direcția est-vest de-a lungul unei perioade de 12 ore. În această conceptualizare ideală, sinusoidele pentru zi și cele pentru noapte ar avea faze opuse.

Deoarece s-a presupus că mișcarea Pământului în jurul Soarelui ar cauza vreo componentă suplimentară a vântului, ciclurile anuale ar fi fost detectabile sub forma unei variații a magnitudinii vântului. Un exemplu al acestui efect este un elicopter care zboară înainte. La statul pe loc, elicea unui elicopter se rotește cu aproximativ 480 de kilometri pe oră la vârfuri. Însă, dacă elicopterul se deplasează înainte la 240 km/h, există puncte în care vârfurile elicei se deplasează prin aer cu 240 km/h (în direcția vântului) și 720 km/h (în contra vântului). Același efect ar fi cauzat scăderea și creșterea anuală a magnitudinii vântului eteric.

Cel mai faimos experiment ratat

După toate aceste pregătiri, experiența a devenit una din cele mai celebre experiențe ratate de până acum. În loc să furnizeze informații privind proprietățile eterului, articolul din 1887 al lui Michelson și Morley din American Journal of Science a concluzionat deplasarea ca fiind doar a patruzecea parte din deplasarea așteptată, dar “deoarece deplasarea este proporțională cu pătratul vitezei”, ei au tras concluzia că viteza măsurată este aproximativ o șesime din viteza așteptată pentru mișcarea Pământului pe orbită și “sigur mai puțin de o pătrime.” Deși a fost măsurată această “viteză”, a fost considerată mult prea mică pentru a aduce dovezi ale existenței eterului, iar ulterior s-a spus că este în marja de eroare experimentală care ar putea permite ca viteza să fie chiar și zero.

Deși Michelson și Morley au continuat cu alte experimente după prima publicare din 1887, ambii au continuat și activitatea în domeniu. Alte versiuni ale experimentului au fost efectuate cu calcule din ce în ce mai sofisticate. Kennedy și Illingworth au modificat oglinzile pentru a include un „pas” de jumătate de undă, eliminând posibilitatea vreunei unde staționare în cadrul aparatului. Illingworth ar fi detectat variații de ordinul a 1/300 dintr-o franjă, Kennedy până la 1/1500. Miller a construit mai târziu un dispozitiv nemagnetic pentru a evita magnetostricțiunea iar Michelson unul din invar neexpandabil pentru a elimina orice efect termic. Alți oameni de știință din întrega lume au mărit precizia, au eliminat efecte secundare posibile, sau ambele.

Morley nu era convins de propriile rezultate și a continuat experimente adiționale cu Dayton Miller. Miller a lucrat pe experimente din ce în ce mai mari, culminând cu unul cu o lungime a brațului efectivă de 32 m la o instalație de la Observatorul de pe muntele Wilson. Pentru a evita posibilitatea ca vântul eteric să fie blocat de ziduri, a folosit un atelier cu ziduri subțiri, în principal din pânză. A măsurat consistent un mic efect pozitiv care varia cu fiecare rotație a dispozitivului, cu ziua siderală (n.red: Simplificat, ziua siderală este timpul necesar unei rotații complete a Pământului în jurul axei sale, față de un reper inerțial. Ziua siderală are o durată de aproximativ 23 ore 56 de minute 4 secunde) și anual. Măsurătorile sale au dat o viteză de revoluție a Pământului de doar ~10 km/s în loc de valoarea așteptată de ~30 km/s. El a rămas convins că aceasta s-a datorat antrenării parțiale în curent, și nu a încercat să găsească o explicație mai detaliată.

Deși mai târziu Kennedy a efectuat și el un experiment pe Muntele Wilson, găsind 1/10 din deplasarea măsurată de Miller, fără vreun efect de-a lungul anului, descoperirile lui Miller au fost considerate importante la acel moment, și au fost discutate de Michelson, Lorentz și alții la o întâlnire din anul 1928.Nu s-a ajuns la un acord general asupra continuării experimentelor pentru a verifica rezultatele lui Miller. Lorentz a recunoscut că rezultatele, oricare ar fi cauza lor, nu se potriveau nici cu versiunea lui, nici cu cea a lui Einstein a relativității restrânse. Einstein nu a fost prezent la întâlnire și credea că rezultatele se datorează erorilor experimentale. Până astăzi, nimeni nu a reușit să obțină replici are rezultatelor lui Miller și experimentele moderne au precizii care le contrazic.