A la segona meitat del segle XIX, les opinions físiques sobre la naturalesa de la propagació de la llum, l'acció de la gravetat i alguns altres fenòmens van començar a trobar-se cada cop més clarament amb dificultats. Estaven connectats amb el concepte eteri dominant a la ciència. La idea de fer un experiment que resolgués les contradiccions acumulades, com diuen, estava en l'aire.
A la dècada de 1880 es van posar en marxa una sèrie d'experiments, molt complexos i subtils per aquells temps: els experiments de Michelson per estudiar la dependència de la velocitat de la llum de la direcció del moviment de l'observador. Abans de detenir-nos amb més detall en la descripció i els resultats d'aquests famosos experiments, cal recordar quin era el concepte d'èter i com es va entendre la física de la llum.
Vistes del segle XIX sobre la naturalesa del món
A principis de segle, la teoria ondulatòria de la llum va triomfar, rebent un brillant experiment experimentalconfirmació en les obres de Jung i Fresnel, i més tard -i justificació teòrica en l'obra de Maxwell. Innegablement, la llum mostrava propietats ondulatòries, i la teoria corpuscular estava soterrada sota un munt de fets que no podia explicar (només es reviuria a principis del segle XX sobre una base completament nova).
No obstant això, la física d'aquella època no podia imaginar la propagació d'una ona d'una altra manera que a través de les vibracions mecàniques d'un medi. Si la llum és una ona i és capaç de propagar-se en el buit, els científics no tenien més remei que suposar que el buit s'omple d'una determinada substància, a causa de les seves vibracions que condueixen les ones de llum.
Èter lluminós
La misteriosa substància, ingràvida, invisible, no registrada per cap dispositiu, s'anomenava èter. L'experiment de Michelson només es va dissenyar per confirmar el fet de la seva interacció amb altres objectes físics.
Les hipòtesis sobre l'existència de la matèria etèria van ser expressades per Descartes i Huygens al segle XVII, però es va fer necessària com a aire al segle XIX i, alhora, va donar lloc a paradoxes insolubles. El fet és que, per existir en general, l'èter havia de tenir qualitats mútuament excloents o, en general, físicament irreals.
Contractions del concepte èter
Per coincidir amb la imatge del món observat, l'èter luminífer ha d'estar absolutament immòbil; en cas contrari, aquesta imatge es distorsionaria constantment. Però la seva immobilitat estava en conflicte irreconciliable amb les equacions de Maxwell i el principirelativitat galileana. Per a la seva conservació, calia admetre que l'èter és endut pels cossos en moviment.
A més, es pensava que la matèria etèria era absolutament sòlida, contínua i al mateix temps no entorbava de cap manera el moviment dels cossos a través d'ella, incompressible i, a més, posseïdora d'elasticitat transversal, en cas contrari no conduiria ones electromagnètiques. A més, l'èter es va concebre com una substància omnipresent, que, de nou, no encaixa bé amb la idea de la seva passió.
La idea i la primera producció de l'experiment de Michelson
El físic nord-americà Albert Michelson es va interessar pel problema de l'èter després de llegir la carta de Maxwell, publicada després de la mort de Maxwell el 1879, que descrivia un intent infructuós de detectar el moviment de la Terra respecte a l'èter a la revista Nature..
L'any 1881, va tenir lloc el primer experiment de Michelson per determinar la velocitat de la llum que es propagava en diferents direccions en relació amb l'èter, un observador que es movia amb la Terra.
La Terra, movent-se en òrbita, s'ha de sotmetre a l'acció de l'anomenat vent eteri, un fenomen semblant al flux d'aire que corre sobre un cos en moviment. Un feix de llum monocromàtic dirigit paral·lelament a aquest “vent” es mourà cap a ell, perdent una mica de velocitat, i viceversa (reflectant-se del mirall) en sentit contrari. El canvi de velocitat en ambdós casos és el mateix, però s'aconsegueix en diferents moments: el feix lent "que s'acosta" trigarà més a viatjar. Així que el senyal lluminósemesa paral·lelament al "vent de l'èter" es retardarà necessàriament en relació amb un senyal que recorre la mateixa distància, també amb reflex del mirall, però en direcció perpendicular.
Per registrar aquest retard, es va utilitzar un dispositiu inventat pel mateix Michelson: un interferòmetre, el funcionament del qual es basa en el fenomen de superposició d'ones de llum coherents. Si una de les ones es retardava, el patró d'interferència es canviaria a causa de la diferència de fase resultant.
El primer experiment de Michelson amb miralls i un interferòmetre no va donar un resultat inequívoc a causa de la sensibilitat insuficient del dispositiu i la subestimació de nombroses interferències (vibracions) i va provocar crítiques. Es va requerir una millora significativa de la precisió.
Experiència repetida
El 1887, el científic va repetir l'experiment juntament amb el seu compatriota Edward Morley. Van utilitzar una configuració avançada i van tenir especial cura per eliminar la influència dels factors secundaris.
L'essència de l'experiència no ha canviat. El feix de llum recollit per mitjà d'una lent va ser incident sobre un mirall semitransparent situat en un angle de 45°. Aquí es va dividir: un feix va penetrar a través del divisor, el segon va anar en direcció perpendicular. Cadascun dels feixos va ser reflectit per un mirall pla normal, tornat al divisor de feix i després va colpejar parcialment l'interferòmetre. Els experimentadors confiaven en l'existència d'un "vent eteri" i esperaven obtenir un desplaçament completament mesurable de més d'un terç de la franja d'interferència..
Era impossible descuidar el moviment del sistema solar a l'espai, de manera que la idea de l'experiment incloïa la possibilitat de girar la instal·lació per tal d'afinar la direcció del "vent eteri".
Per evitar la interferència de vibracions i la distorsió de la imatge en girar el dispositiu, tota l'estructura es va col·locar sobre una llosa de pedra massiva amb un flotador toroidal de fusta flotant en mercuri pur. Els fonaments sota la instal·lació es van enterrar a la roca.
Resultats experimentals
Els científics van realitzar observacions acurades durant tot l'any, fent girar la placa amb el dispositiu en sentit horari i en sentit contrari. El patró d'interferència es va registrar en 16 direccions. I, malgrat la precisió sense precedents per a la seva època, l'experiment de Michelson, dut a terme en col·laboració amb Morley, va donar un resultat negatiu.
Les ones de llum en fase que sortien del divisor de feix van arribar a la meta sense canvi de fase. Això es repetia cada vegada, en qualsevol posició de l'interferòmetre, i significava que la velocitat de la llum a l'experiment de Michelson no canviés en cap circumstància.
La comprovació dels resultats de l'experiment es va dur a terme repetidament, fins i tot al segle XX, utilitzant interferòmetres làser i ressonadors de microones, assolint una precisió d'una deu mil milions de la velocitat de la llum. El resultat de l'experiència segueix sent inamovible: aquest valor no canvia.
El significat de l'experiment
Dels experiments de Michelson i Morley es dedueix que el "vent eteri" i, en conseqüència, aquesta matèria evasiva en si, simplement no existeix. Si un objecte físic no es detecta fonamentalment en cap procés, això equival a la seva absència. Els físics, inclosos els autors de l'experiment brillantment posat en escena, no es van adonar immediatament del col·lapse del concepte de l'èter i, amb ell, del marc de referència absolut..
Només Albert Einstein l'any 1905 va aconseguir presentar una nova explicació coherent i alhora revolucionària dels resultats de l'experiment. Tenint en compte aquests resultats tal com són, sense intentar extreure-hi èter especulatiu, Einstein va arribar a dues conclusions:
- Cap experiment òptic pot detectar el moviment rectilini i uniforme de la Terra (el dret de considerar-la com a tal ve donat per la curta durada de l'acte d'observació).
- Pel que fa a qualsevol marc de referència inercial, la velocitat de la llum en el buit no canvia.
Aquestes conclusions (la primera, en combinació amb el principi de relativitat galileà) van servir de base per a la formulació d'Einstein dels seus famosos postulats. Per tant, l'experiment de Michelson-Morley va servir com a base empírica sòlida per a la teoria especial de la relativitat.
