Experienta Michelson-Morley(1880)

Aceasta experienta si-a propus sa dovedeasca miscarea Pamântului fata de eter prin masurarea vitezei "vântului eteric" precum si a efectelor vântului eteric asupra propagarii luminii. Schema interferometrului este reprezentata în figura I.1. Interferometrul este alcatuit dintr-o lama semitransparenta B, doua oglinzi plane si , o luneta L si o sursa de lumina monocromatica S.

Cele doua portiuni si se numesc bratele interferometrului si au lungimile si . Lumina monocromatica provenita de la sursa este divizata de lama B în doua fascicule: unul -reflectat, altul -transmis. Dupa reflexii pe cele doua oglinzi, cele doua fascicule (coerente pentru ca provin de la aceeasi sursa primara S) vor interfera în luneta si se vor observa franje de interferenta cu interfranja dependenta de diferenta lor de drum.

Presupunem ca Pamântul se deplaseaza cu viteza v, paralela cu bratul ,fata de eterul considerat fix, iar o data cu Pamântul se deplaseaza si interferometrul. Presupunem ca viteza luminii este independenta de miscarea izvorului luminos. Vom calcula timpii necesari celor doua fascicule pentru a strabate drumurile lor. Pentru fasciculul (1) (figura I.2): în momentul reflexiei în punctul de incidenta A, oglinda se gaseste în dreptul acestui punct, dar în timpul necesar luminii sa ajunga la ea (), aceasta se va deplasa pe distanta .

În momentul reflexiei pe oglinda , lama se gaseste tot în dreptul acestei oglinzi, dar în timpul necesar întoarcerii razei reflectate pe la lama , lama se va gasi în pozitia astfel ca .

Cum miscarea este uniforma, , , deci obtinem:

de unde:

iar:

Pentru fasciculul (2):în momentul iesirii razei transmise în C, oglinda se va gasi la distanta de C, dar în timpul necesar acestei raze sa ajunga la , aceasta s-a deplasat pe distanta , astfel ca:

de unde:

Când fasciculul se reflecta pe , lama se gaseste la distanta de oglinda, dar în timpul necesar luminii reflectate sa ajunga la lama aceasta din urma se apropie cu , deci:

de unde:

astfel încât fasciculului (2) îi este necesar timpul:

sa ajunga la luneta.

Observatie: aceleasi rezultate se obtineau folosind "viteza relativa" a luminii fata de oglinda (c-v), respectiv (c+v), data de regula Galilei de compunere a vitezelor.

Diferenta de timp între cele doua raze care interfera (presupunând ):

va corespunde unui defazaj între ele, producând un sistem de franje de interferenta.

Daca interferometrul este rotit cu în sens orar, bratul va fi paralel cu directia de deplasare a Pamântului, iar bratul - perpendicular pe aceasta directie, deci si invers, astfel încât diferenta de timp între cele doua raze va fi:

Diferenta timpilor provocata de rotirea aparatului:

ar trebui sa produca o deplasare a sistemului de franje cu un anumit numar de franje.

Dezvoltând în serie binomiala numitorii din (I.14) si retinând doar primii doi termeni obtinem:

iar numarul de franje cu care ar trebui sa se deplaseze figura de interferenta prin rotirea aparatului va fi:

unde T este perioada radiatiei monocromatice. Se obtine:

unde este lungimea de unda în vid a radiatiei monocromatice.

Folosind datele experimentale , , l = 11m se obtine , adica o deplasare cu 40% dintr-o interfranja.

Surpriza experimentatorilor a fost neobservarea vreunei deplasari: figura de interferenta este imobila.

Mentionam ca interferometrul Michelson era ultraperformant, permitând punere în evidenta chiar a unei deplasari dintr-o interfranja, care ar corespunde unei deplasari cu , deci nu se punea problema vreunei erori experimentale.

Mentionam de asemenea ca experienta Michelson-Morley a fost repetata de-a lungul a 80 de ani de mai multi cercetatori: între 1897-1905 - Morley si Miller; între 1921-1925 Miller, lucrând pe muntele Wilson din California (câteva mii de încercari); 1928-Michelson, Pease si Pearson (Caltech-Pasadena, California); 1926-1927, elvetianul Auguste Piccard a repetat experienta într-un balon la 2 km deasupra Pamântului; în 1948-Essen (Anglia) a introdus în cercetari radioundele, iar în 1958 Charles Townes a lucrat cu un maser, realizând precizii uimitoare.

Astfel, miscarea Pamântului fata de eterul mobil nu putea fi pusa în evidenta prin nici o experienta optica sau electrica.

Rezultatul negativ al experientei Michelson-Morley- "cel mai important rezultat negativ din istoria stiintei" (John Bernal-fizician si sociolog) -arata ca efectele "vântului eteric" nu sunt decelabile; nu exista un referential preferential în care eterul este fix si nu este valabila-pentru lumina-regula lui Galilei de compunere a vitezelor. Pentru explicarea rezultatului negativ al experientei Michelson-Morley s-au emis mai multe ipoteze bazate pe urmatoarele considerente: absenta deplasarii sistemului de franje ar duce la adica:

1.considerând aceeasi viteza a luminii pe toate directiile, ar trebui ca

adica bratul interferometrului paralel cu directia de miscare este mai mic, a suferit o contractie, iar cel perpendicular a ramas nemodificat. Fenomenul poarta numele de "contractia Lorentz-Fitzgerald" si nu depinde de natura corpurilor.

2.daca se presupune egalitatea bratelor ar trebui admisa inegalitatea vitezelor de propagare a luminii pe o directie fata de alta. Situatia ar putea fi explicata pe baza "ipotezei balistice" si anume ca viteza luminii depinde de viteza sursei emitatoare. Ipoteza balistica a fost infirmata însa de experienta lui De Sitter.

3.daca se presupune egalitatea bratelor si a vitezelor de propagare a luminii în lungul acestor brate ar trebui admisa "ipoteza timpului relativ", adica faptul ca scurgerea timpului nu este uniforma ci este mai înceata pe directia miscarii Pamântului. Aceasta ipoteza sta la baza teoriei lui Einstein.