interferometru michelson 1887În cadrul unuia dintre cele mai celebre experimente din istoria fizicii, Albert Michelson şi Edward Morley au încercat în anul 1887 să detecteze mişcarea eterului luminifer, un mediu imaginat în epocă pentru a explica propagarea undelor de lumină. Experimentul a fost un eşec, dar a contribuit la declanşarea unei adevărate revoluţii în fizică.

 


 

CUPRINS


Preliminarii. Ce este eterul?
Eterul şi mişcarea Pământului prin spaţiu
Experimentul
Finalul teoriei eterului
Resursă video disponibilă online
Bibliografie

 


 

CE ESTE ETERUL?


Deşi natura ondulatorie a luminii fusese demonstrată încă din jurul anului 1800 (experimentul lui Thomas Young), analogiile cu propagarea sunetului prin aer şi calculul vitezei undelor sonore relativ la mediul de propagare, dăduseră naştere de-a lungul secolului XIX câtorva teorii privind mediul prin care se propagă lumina, mediu la care se credea pe atunci că este relativă viteza luminii, în linia de gândire a relativităţii clasice. Se considera că acel mediu misterios, denumit eter luminifer ori, simplu, eter, este omniprezent, pătrunde prin orice, există şi în spaţiul cosmic, iar caracteristicile sale permit propagarea undelor luminoase cu viteza impresionantă a cărei valoare aproximativă fusese calculată încă de atunci.

Prin analogie cu propagarea undelor sonore prin diferite medii, despre care se constatase experimental că circulă mai repede printr-un mediu mai greu compresibil (de pildă, o bară de oţel) ori, la fel, mai rapid prin mediile cu o greutate cât mai mică, se estima că acest eter ar trebui să fie foarte, foarte uşor şi, în acelaşi timp, foarte greu de comprimat. Aceste caracteristici îl făceau extrem de greu detectabil, aparent având de-a face cu un mediu care înconjura şi pătrundea prin toată planeta Pământ, existent în întregul sistem solar, dar care nu opunea nicio rezistenţă în faţa deplasării pe orbitele circumsolare a planetelor ori altor corpuri cereşti. Toate acestea fiind teoretizate, a apărut, desigur, problema detectării acestui mediu relativ la care se credea că lumina se propagă cu o viteză de 186,350 de mile pe secundă (+/- 30 mps), conform unor experimente efectuate în anul 1879 de către unul dintre protagoniştii articolului de faţă, fizicianul american Albert Abraham Michelson (1852-1931).


 

michelson morley interferometru original 1887
Interferometrul folosit de Michelson şi Morley în 1887


ETERUL ŞI MIŞCAREA PĂMÂNTULUI PRIN SPAŢIU

Cea mai celebră încercare de a detecta mişcarea relativă a Pământului faţă de acest misterios eter luminifer îi aparţine aceluiaşi Albert Michelson. Acesta era interesat de măsurarea cât mai exactă a valorii vitezei luminii, iar la acea vreme existau câteva teorii care încercau să explice felul în care valorile observate şi măsurate ale vitezei luminii ar putea fi afectate de mişcarea prin sistemul solar a Pământului.

Terra parcurge distanţe imense pe parcursul mişcării orbitale în jurul Soarelui, iar viteza sa pe orbita circumsolară este de aproximativ 30 de km/s ori peste 108,000 de km/h. La fel, Soarele se roteşte în jurul centrului galaxiei Calea Lactee cu viteză încă şi mai mare şi există şi alte mişcări la nivele superioare ale structurii Universului. Se credea că din moment ce Pământul este în mişcare, ar trebui să apară un "vânt eteric" detectabil, dat de mişcarea Terra prin eter. Cu toate că uneori era posibil ca mişcarea planetei să coincidă, ca orientare şi viteză, cu cea a eterului, era imposibil ca planeta să rămână permanent în repaus faţă de eter, din cauza variaţiilor vitezei şi direcţiei sale de deplasare prin sistemul solar, dar şi al celorlalte mişcări de la nivele superioare ale structurii Universului, amintite mai înainte. Se considera, şi pe bună dreptate având în vedere modelul teoretic luat în considerare la acea vreme, că în fiecare punct de pe suprafaţa planetei puterea şi direcţia acestui "vânt eteric" ar trebui să varieze în funcţie de momentul zilei şi de anotimp.

Prin analizarea vitezei luminii în direcţii şi momente de timp diferite, se considera că ar fi posibil să se măsoare mişcarea Pământului relativ la eter. Diferenţa aşteptată a fi măsurată între valorile măsurate ale vitezei luminii în diferite direcţii era foarte mică, având în vedere că viteza pe orbita circumsolară a planetei Pământ este de aproximativ o sutime de procent din viteza luminii. Existau şi teorii care susţineau ideea că Terra ar trage, efectiv, eterul cu ea prin spaţiu, prin intermediul gravitaţiei. Michelson însuşi credea că din moment ce eterul este în repaus şi Pământul se deplasează prin el, valoarea vitezei luminii observată la suprafaţa planetei ar trebui să depindă de direcţia de mişcare a undelor luminoase: în aceeaşi direcţie cu mişcarea orbitală a Pământului ori în direcţie opusă. Un număr destul de mare de fizicieni a încercat efectuarea acestor măsurători la jumătatea secolului al XIX-lea, dar acurateţea necesară depăşea posibilităţile instrumentelor vremii.


EXPERIMENTUL

Era nevoie de un alt tip de montaj experimental decât cele încercate până atunci, şi acesta este momentul în care ingeniozitatea extraordinară a unui experimentalist foarte talentat precum Albert Michelson intră în scenă.  În anul 1881, pe când studia în laboratorul de fizică al lui Hermann von Helmholtz din Berlin, Michelson proiectează şi construieşte un dispozitiv denumit interferometru, care foloseşte o oglindă semitransparentă pentru a descompune o rază de lumină în două componente care să se deplaseze în direcţii diferite (vezi figura de mai jos).

 

 

interferometru
Interferometru - schemă de principiu

 

Dispozitivul avea în compunere o sursă de lumină albă îndreptată spre o oglindă semi-argintată al cărei rol era de a separa lumina în două raze care să se deplaseze la un unghi de 90 de grade una faţă de cealaltă. După trecerea prin mecanismul de separare a luminii, razele călătoresc până la capetele a două braţe lungi unde sunt reflectate complet de alte două oglinzi. Se recombină la celălalt capăt al oglinzii semi-argintate şi ajung la nivelul unui detector unde are loc interferenţa celor două unde, una distructivă sau constructivă, în funcţie de timpul parcurs de cele două raze.

Dacă Pământul ar călători prin eter,  cum se presupunea atunci, ar fi trebuit ca raza care călătoreşte paralel cu eterul să aibă nevoie de mai mult timp pentru a parcurge distanţa în comparaţie cu cea care călătoreşte la un unghi de 90 de grade faţă de eter, aşa cum rezultă din imaginile de mai jos (se pot efectua calcule matematice simple care indică exact acelaşi lucru, folosindu-se legile clasice pentru adunarea vectorilor vitezelor eterului şi luminii,  reguli considerate corecte la cea vreme, dar considerăm că aceste imagini sunt mai sugestive):

 

 

Interferometrul era prevăzut cu un mecanism de rotaţie, astfel că direcţia razelor putea fi ajustată. Rezultatul ar fi trebuit să fie, conform cu cele presupuse atunci, o întârziere a unuia dintre cele două fascicule luminoase, care ar avea ca rezultat apariţia unor franje de interferenţă pe baza cărora s-ar fi putut calcula mişcarea relativă a Pământului faţă de eter.

Michelson a folosit acest instrument fără succes pentru prima dată în 1881, pe când se afla în Germania. Nu a putut detecta deviaţiile prevăzute de calculele iniţiale, dar a pus eşecul pe seama erorilor de măsură datorate imperfecţiunilor instrumentelor folosite şi interferometrului. Ulterior, lucrând în parteneriat cu Edward W. Morley (1838-1923) în Cleveland, Ohio, a efectuat un alt experiment în iulie 1887. Deşi noul instrument era extrem de sensibil, nu s-a înregistrat nici de această dată vreo diferenţă între vitezele celor două raze de lumină, invalidându-se astfel ipoteza iniţială a lui Michelson. În 1897 a efectuat experimentul la mare altitudine, încercând să detecteze "vântul eteric" cât mai departe de suprafaţa Pământului, luând în calcul acum varianta că Terra atrage cu ea eterul prin spaţiu, prin intermediul gravitaţiei. Din nou, nicio dovadă despre vreo influenţă a eterului asupra vitezei luminii. Se părea că aceasta era aceeaşi în toate direcţiile, în complet dezacord cu ideea că Terra se mişcă prin acest aşa-numit eter luminifer.

În următorii 50 de ani, mulţi fizicieni au repetat experimentul, în moduri din ce în ce mai sofisticate şi folosind instrumente de o precizie extraordinară,  sperând că vor găsi vreo greşeală care să anuleze concluzia incredibilă pe atunci că eterul nu există. Rezultatele au fost mereu aceleaşi.

 

FINALUL TEORIEI ETERULUI


Experimentul Michelson-Morley a rămas în istorie drept cel mai important experiment cu rezultat nul din istoria ştiinţei deoarece, deşi Michelson a refuzat să recunoască, experimentul său a eşuat în a demonstra existenţa eterului. Peste câţiva ani, în 1905, Albert Einstein avea să postuleze că viteza luminii este constantă indiferent de observator, deşi se pare că nu avea cunoştinţă despre experimentul Michelson-Morley pe atunci. Experimentul lui Michelson şi Morley demonstrează cât de adânc era înrădăcinată la finele secolului XIX ideea că lumina trebuie să călătorească relativ la un anumit mediu, eterul. Vorbim, pe de o parte, de nevoia de a raporta viteza luminii la un mediu, prin analogie cu propagarea sunetului prin aer, dar ne referim şi la spiritul relativităţii clasice, care a dus la încercările ulterioare de a explica rezultatul nul al experimentului în diverse moduri, cum ar fi existenţa unei contracţii a obiectelor pe direcţia lor de mişcare, iniţial imaginată a fi relativ la eter.

Este vorba despre contracţia FitzGerald-Lorentz. În 1892 fizicianul irlandez G.F. FitzGerald sugera că dimensiunea unui braţ al interferometrului Michelson-Morley cumva se contractase, cu o valoare depinzând de viteza sa. Deşi pentru majoritatea fizicienilor ideea a părut absurdă, nu a fost şi cazul unuia dintre cei mai distinşi fizicieni europeni - H.A. Lorentz, care a introdus expresii matematice - transformările Lorentz - cu ajutorul cărora a descris cantitativ ideile lui FitzGerald. Transformările Lorentz aveau să schimbe radical fizica. În 1889 marele matematician francez Henri Poincaré, în urma analizei rezultatelor experimentale obţinute de Michelson şi Morley, oferea o explicaţie generală numită principiul relativităţii, având ca idee centrală că mişcarea absolută nu va fi niciodată detectată în laborator, fizica având nevoie, spunea el, de o teorie complet nouă pentru a fi în continuare consistentă cu toate observaţiile experimentale. Iar peste alţi 6 ani, Albert Einstein o va introduce.



Erau vremuri când, în spiritul vederii mecaniciste a naturii impuse de pe vremea lui Newton,  nu se putea admite existenţa unei acţiuni la distanţă ori prin vid. Eterul a fost un construct necesar pentru a ţine în picioare edificiul mecanicist care sugera că lumina trebuie să se deplaseze printr-un mediu.

 

RESURSĂ VIDEO ONLINE

"THE MECHANICAL UNIVERSE" - EPISODUL 41 :
Pe site-ul Learner.org al Annenberg Media puteţi viziona gratuit un documentar de o jumătate de oră, subtitrat în limba engleză, care prezintă istoria celui mai celebru experiment cu rezultat nul din istoria ştiinţei.

The Michelson-Morley experiment

(parcurgeţi pagina care se deschide până ajungeţi în dreptul capitolului 41, dedicat experimentului Michelson-Morley, şi apăsaţi iconiţa din dreapta textului descriptiv.)

 

Bibliografie:

www.encyclopedia.com/doc/1G2-2536601741.html
galileoandeinstein.physics.virginia.edu/lectures/michelson.html
en.wikipedia.org/wiki/Michelson%E2%80%93Morley_experiment