Doświadczenie Michelsona-Morleya

Doświadczenie Michelsona-Morleya – eksperyment zaliczany obecnie do najważniejszych doświadczeń w historii fizyki. Miał na celu wykazanie ruchu Ziemi względem hipotetycznego eteru poprzez porównanie prędkości światła w różnych kierunkach względem kierunku ruchu Ziemi. Doświadczenie zostało przeprowadzone w 1887 roku^[1] przez Alberta Michelsona i Edwarda Morleya, jako poprawiona wersja doświadczenia Michelsona z roku 1881^{[potrzebny przypis]}.

Dało ono wynik negatywny (tj. wykazało niezależność prędkości światła od prędkości Ziemi w przestrzeni), co stało się doświadczalnym potwierdzeniem stałości prędkości światła w układzie odniesienia źródła^[2] i wykluczyło istnienie eteru statycznego lub częściowo wleczonego.

Powód przeprowadzenia eksperymentu

Hipotetyczny „wiatr eteru” wywołany ruchem Słońca i Ziemi wokół Słońca

Fizyka w XIX w. zakładała, że fale rozprzestrzeniają się tylko w ośrodkach sprężystych (przykładowo dźwięk – w powietrzu). Światło, według tej koncepcji, jako fala elektromagnetyczna też powinno rozprzestrzeniać się w jakimś sprężystym ośrodku, który nazywano eterem. Eter miałby wypełniać całą przestrzeń, pozostawać w spoczynku względem Wszechświata i wyznaczać wyróżniony układ odniesienia. Prędkość światła powinna być stała względem tego ośrodka, a dla obserwatorów poruszających się względem eteru – inna i równa różnicy wektorowej prędkości światła w ośrodku i prędkości obserwatora względem ośrodka.

Ziemia wraz ze Słońcem porusza się względem Wszechświata, na to nakłada się jej ruch wokół Słońca z prędkością 30 km/s, zatem powinna poruszać się względem eteru.

James Clerk Maxwell zauważył, że mierząc prędkość światła w różnych okresach roku lub doby można by wyznaczyć prędkość ruchu Ziemi względem eteru, ale nie wierzył w możliwość wykonania doświadczenia z wystarczająco dużą dokładnością.

Doświadczenie Michelsona

Ilustracja doświadczenia Michelsona-Morleya A – źródło światła monochromatycznego
B – półprzepuszczalna płytka
C – zwierciadła
D – ekran

Doświadczenie weryfikujące koncepcję Maxwella obmyślił i przeprowadził w roku 1881 amerykański fizyk, Albert Michelson. Uznał, że do określenia prędkości wiatru eteru nie potrzeba wyznaczać prędkości światła, wystarczy porównać prędkość światła w różnych kierunkach. Skonstruował przyrząd nazwany później interferometrem Michelsona.

W interferometrze wiązka światła zostaje podzielona półprzezroczystą płytką na dwie prostopadłe wiązki, które po odbiciu od zwierciadeł i powtórnym przejściu przez płytkę trafiają do teleskopu, w którym widać jasne i ciemne prążki jako wynik interferencji obu wiązek. Obraz interferencji zależy od różnicy czasu przebiegu obu wiązek między płytką a zwierciadłami, bo w pozostałej części drogi światła obie wiązki biegną tą samą drogą. Gdyby czas przebiegu światła między płytką a zwierciadłem 1 zmienił się o inną wartość niż czas dla drugiej drogi, to układ prążków interferencyjnych przesunąłby się. W ten sposób można wyznaczyć nawet niewielkie różnice w prędkości rozchodzenia się światła.

Gdyby istniał wiatr eteru, wystarczyłoby obrócić interferometr, a układ prążków powinien przesuwać się. Michelson, jako dokładny obserwator, oszacował, że dokładność pomiaru urządzenia jest 4 razy większa od przesunięcia prążków, jakie powinien uzyskać dla prędkości ruchu Ziemi wokół Słońca.

Ku swojemu zaskoczeniu nie wykrył ruchu prążków. Wynik doświadczenia był zdumiewający dla ówczesnych fizyków, powszechnie wątpiono w prawdziwość i dokładność pomiaru.

Drugie doświadczenie

Dla potwierdzenia swoich obserwacji Michelson postanowił powtórzyć swoje doświadczenie. Wraz z Edwardem Morleyem opracowali i skonstruowali aparaturę, w której zwiększyli dziesięciokrotnie długość drogi światła, zwiększając w ten sposób dokładność pomiaru. By zapobiec nawet najmniejszym drganiom zwierciadeł, układ interferometru pływał w korytach wypełnionych rtęcią. Pomimo takiej precyzji i przeprowadzenia wielu powtórzeń pomiarów w wielu kierunkach, przez rok nie zauważono zmian w układzie prążków interferencyjnych.

Na początku XX w. doświadczenie było wielokrotnie powtarzane w różnych warunkach i zawsze z takim samym skutkiem.

Wyjaśnienia

Wynik można wyjaśnić tym, że w dniu wykonywania eksperymentu Ziemia znajdowała się w układzie spoczynku eteru. Jednak w innych dniach i porach roku – kiedy Ziemia porusza się w innym kierunku – wynik także jest negatywny. To przekreśla koncepcję statycznego eteru z transformacją galileuszowską.
Wynik eksperymentu próbowano wyjaśnić założeniem, że eter w pobliżu Ziemi jest przez nią unoszony, w efekcie czego – nieruchomy względem niej, podczas gdy dalej od niej pozostaje ruchomy. Jednak takie zachowanie eteru powinno spowodować charakterystyczne krążenie gwiazd widzianych z Ziemi po elipsach, czego nie obserwuje się.
Jedną z hipotez przedstawił George Francis Fitzgerald, a potem Hendrik Antoon Lorentz. Zaproponował, że ruch ciał względem eteru skraca długość ciała o czynnik ${\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2}}}}}$ (gdzie v – prędkość ciała, a c – prędkość światła). Rozwinięcie tej koncepcji znane jest obecnie jako transformacja Lorentza. Lorentz w 1904 rozwinął tę koncepcję w całą teorię eteru Lorentza, przypominającą późniejszą STW.
Ostatecznie zrezygnowano z wyjaśnienia doświadczenia Michelsona-Morleya na gruncie koncepcji eteru. Jest ono natomiast zgodne z ogłoszoną przez A. Einsteina w 1905 roku szczególną teorią względności, według której prędkość światła w próżni jest jednakowa we wszystkich inercjalnych układach odniesienia wprost z definicji.
W 1908 Walther Ritz zaproponował wyjaśnienie tego doświadczenia przez teorię emisyjną. Została ona jednak wykluczona przez inne doświadczenia.
Negatywny wynik doświadczenia można też wyjaśnić przez transformacje Voigta, różniące się od transformacji Lorentza o czynnik skali. Zamiast skrócenia obiektów wzdłuż kierunku ruchu przewidują one wydłużenie w kierunku prostopadłym do prędkości. Jednak Voigt w 1887 wprowadził swoje transformacje przed doświadczeniem Michelsona-Morleya oraz nie były one nigdy odnoszone wprost do fizyki, eteru ani optyki^{[potrzebny przypis]}.