Nella seconda metà del 19° secolo, le visioni fisiche sulla natura della propagazione della luce, l'azione della gravità e alcuni altri fenomeni cominciarono sempre più a incontrare difficoltà. Erano collegati al concetto etereo dominante nella scienza. L'idea di condurre un esperimento che risolvesse le contraddizioni accumulate, come si suol dire, era nell'aria.
Negli anni '80 dell'Ottocento fu avviata una serie di esperimenti, molto complessi e sottili per quei tempi: gli esperimenti di Michelson per studiare la dipendenza della velocità della luce dalla direzione del movimento dell'osservatore. Prima di soffermarsi più in dettaglio sulla descrizione e sui risultati di questi famosi esperimenti, è necessario ricordare qual era il concetto di etere e come veniva intesa la fisica della luce.
Viste del 19° secolo sulla natura del mondo
All'inizio del secolo, la teoria ondulatoria della luce ha trionfato, ricevendo brillanti sperimentazioniconferma nelle opere di Jung e Fresnel, e successivamente - e giustificazione teorica nell'opera di Maxwell. La luce mostrava assolutamente innegabilmente proprietà ondulatorie e la teoria corpuscolare era sepolta sotto un mucchio di fatti che non poteva spiegare (sarebbe stata ripresa solo all'inizio del XX secolo su basi completamente nuove).
Tuttavia, la fisica di quell'epoca non poteva immaginare la propagazione di un'onda se non attraverso le vibrazioni meccaniche di un mezzo. Se la luce è un'onda ed è in grado di propagarsi nel vuoto, gli scienziati non hanno avuto altra scelta che presumere che il vuoto sia riempito da una certa sostanza, a causa delle sue vibrazioni che conducono le onde luminose.
Etere luminoso
La misteriosa sostanza, senza peso, invisibile, non registrata da alcun dispositivo, era chiamata etere. L'esperimento di Michelson è stato progettato solo per confermare il fatto della sua interazione con altri oggetti fisici.
Le ipotesi sull'esistenza della materia eterea furono espresse da Descartes e Huygens nel 17° secolo, ma divenne necessaria come aria nel 19° secolo, e allo stesso tempo portò a paradossi insolubili. Il fatto è che per esistere in generale, l'etere doveva avere qualità mutualmente esclusive o, in generale, fisicamente irreali.
Contradizioni del concetto di etere
Per corrispondere all'immagine del mondo osservato, l'etere luminoso deve essere assolutamente immobile, altrimenti questa immagine sarebbe costantemente distorta. Ma la sua immobilità era in conflitto inconciliabile con le equazioni di Maxwell e il principioRelatività galileiana. Per il bene della loro conservazione, è stato necessario ammettere che l'etere viene portato via dai corpi in movimento.
Inoltre si pensava che la materia eterea fosse assolutamente solida, continua e allo stesso tempo non ostacolava in alcun modo il movimento dei corpi che la percorrevano, incomprimibile e, inoltre, dotata di elasticità trasversale, altrimenti non condurrebbe onde elettromagnetiche. Inoltre, l'etere è stato concepito come una sostanza onnipervadente, che, ancora una volta, non si adatta bene all'idea della sua passione.
L'idea e la prima produzione dell'esperimento di Michelson
Il fisico americano Albert Michelson si interessò al problema dell'etere dopo aver letto la lettera di Maxwell, pubblicata dopo la morte di Maxwell nel 1879, che descriveva un tentativo fallito di rilevare il movimento della Terra rispetto all'etere nella rivista Nature.
Nel 1881, il primo esperimento di Michelson ha avuto luogo per determinare la velocità della luce che si propaga in direzioni diverse rispetto all'etere, un osservatore in movimento con la Terra.
La Terra, muovendosi in orbita, deve essere soggetta all'azione del cosiddetto vento etereo - un fenomeno simile al flusso d'aria che scorre su un corpo in movimento. Un raggio di luce monocromatico diretto parallelamente a questo “vento” si muoverà verso di esso, perdendo un po' di velocità, e viceversa (riflettendo dallo specchio) nella direzione opposta. La variazione di velocità in entrambi i casi è la stessa, ma si ottiene in tempi diversi: il raggio "in arrivo" rallentato impiegherà più tempo a viaggiare. Quindi il segnale luminosoemesso parallelamente al "vento di etere" sarà necessariamente ritardato rispetto ad un segnale che percorre la stessa distanza, anche riflesso dallo specchio, ma in direzione perpendicolare.
Per registrare questo ritardo è stato utilizzato un dispositivo inventato dallo stesso Michelson: un interferometro, il cui funzionamento si basa sul fenomeno della sovrapposizione di onde luminose coerenti. Se una delle onde fosse ritardata, il pattern di interferenza si sposterebbe a causa della differenza di fase risultante.
Il primo esperimento di Michelson con specchi e un interferometro non ha dato un risultato univoco a causa dell'insufficiente sensibilità del dispositivo e della sottovalutazione di numerose interferenze (vibrazioni) e ha suscitato critiche. È stato richiesto un miglioramento significativo della precisione.
Esperienza ripetuta
Nel 1887, lo scienziato ripeté l'esperimento insieme al suo connazionale Edward Morley. Hanno usato una configurazione avanzata e hanno prestato particolare attenzione per eliminare l'influenza dei fattori collaterali.
L'essenza dell'esperienza non è cambiata. Il fascio di luce raccolto per mezzo di una lente è stato incidente su uno specchio semitrasparente posto ad un angolo di 45°. Qui si divise: un raggio penetrò attraverso il divisorio, il secondo andò in direzione perpendicolare. Ciascuno dei raggi è stato quindi riflesso da un normale specchio piatto, restituito al divisore di raggio e quindi colpito parzialmente dall'interferometro. Gli sperimentatori erano fiduciosi nell'esistenza di un "vento etereo" e si aspettavano di ottenere uno spostamento completamente misurabile di oltre un terzo della frangia di interferenza.
Era impossibile trascurare il movimento del sistema solare nello spazio, quindi l'idea dell'esperimento includeva la possibilità di ruotare l'installazione per mettere a punto la direzione del "vento etereo".
Per evitare l'interferenza delle vibrazioni e la distorsione dell'immagine durante la rotazione del dispositivo, l'intera struttura è stata posizionata su una massiccia lastra di pietra con un galleggiante toroidale in legno galleggiante in puro mercurio. Le fondamenta sotto l'installazione sono state sepolte nella roccia.
Risultati sperimentali
Gli scienziati hanno condotto attente osservazioni durante tutto l'anno, ruotando la piastra con il dispositivo in senso orario e antiorario. Il pattern di interferenza è stato registrato in 16 direzioni. E, nonostante l'accuratezza senza precedenti per la sua epoca, l'esperimento di Michelson, condotto in collaborazione con Morley, diede esito negativo.
Le onde luminose in fase in uscita dal divisore di fascio hanno raggiunto il traguardo senza sfasamento. Questo veniva ripetuto ogni volta, in qualsiasi posizione dell'interferometro, e significava che la velocità della luce nell'esperimento di Michelson non cambiava in nessuna circostanza.
Il controllo dei risultati dell'esperimento è stato effettuato ripetutamente, anche nel XX secolo, utilizzando interferometri laser e risonatori a microonde, raggiungendo una precisione di un decimiliardesimo della velocità della luce. Il risultato dell'esperienza rimane incrollabile: questo valore è invariato.
Il significato dell'esperimento
Dagli esperimenti di Michelson e Morley ne consegue che il "vento etereo", e, di conseguenza, questa stessa materia inafferrabile semplicemente non esiste. Se un oggetto fisico fondamentalmente non viene rilevato in nessun processo, ciò equivale alla sua assenza. I fisici, compresi gli autori dell'esperimento brillantemente messo in scena, non si resero immediatamente conto del crollo del concetto di etere, e con esso del quadro di riferimento assoluto.
Solo Albert Einstein nel 1905 riuscì a presentare una nuova spiegazione coerente e allo stesso tempo rivoluzionaria dei risultati dell'esperimento. Considerando questi risultati così come sono, senza cercare di attirarvi etere speculativo, Einstein giunse a due conclusioni:
- Nessun esperimento ottico può rilevare il moto rettilineo e uniforme della Terra (il diritto a considerarlo come tale è dato dalla breve durata dell'atto di osservazione).
- Per quanto riguarda qualsiasi sistema di riferimento inerziale, la velocità della luce nel vuoto è invariata.
Queste conclusioni (la prima - in combinazione con il principio di relatività galileiano) sono servite come base per la formulazione di Einstein dei suoi famosi postulati. Quindi l'esperimento di Michelson-Morley è servito come solida base empirica per la teoria della relatività speciale.
