Teoretyczne podstawy poszukiwań
XIX-wieczni naukowcy mieli spory problem z wytłumaczeniem, jak światło może przemieszczać się przez próżnię. Po odkryciu falowej natury światła przez Thomasa Younga w 1801 roku, fizycy potrzebowali medium, które pozwalałoby na rozchodzenie się fal świetlnych. Tak narodziła się koncepcja eteru, czyli niewidzialnego, wszechobecnego płynu o niezwykłych właściwościach. Eter musiał być jednocześnie niezwykle sztywny (by przenosić fale z prędkością światła) i całkowicie przezroczysty dla materii. Brzmi to dość egzotycznie, ale w tamtym czasie była to trafna teoria wyjaśniająca wiele zjawisk optycznych.
Michelson nie był nowicjuszem w tych badaniach. Już w 1881 roku, jako student Uniwersytetu Berlińskiego, przeprowadził podobny eksperyment, lecz wyniki nie były przekonujące. Sześć lat później, we współpracy z Morleyem, stworzył znacznie doskonalsze urządzenie. Sercem układu był interferometr – genialne w swojej prostocie urządzenie wykorzystujące zjawisko interferencji światła. Światło było dzielone na dwie wiązki, które przemierzały identyczne drogi, tyle że w prostopadłych kierunkach. Jeśli Ziemia rzeczywiście poruszała się przez eter, różnice w prędkości światła powinny były stworzyć charakterystyczny wzór interferencyjny. Cała aparatura spoczywała na płycie z piaskowca o wymiarach 1,5 metra kwadratowego, która unosiła się na rtęci, co eliminowało wibracje i pozwalało na precyzyjne obroty. To był prawdziwy majstersztyk inżynierii pomiarowej jak na swoje czasy.
Szokujący wynik, który na zawsze zmienił fizykę
Oczekiwania były jasne: naukowcy spodziewali się przesunięcia prążków interferencyjnych o około 0,40. Tymczasem maksymalne odchylenie wyniosło zaledwie 0,02, a średnie wartości były jeszcze mniejsze. To był cios dla establishmentu naukowego. Badanie nie dowiodło braku istnienia eteru, ale zarazem nie znalazło na niego żadnych dowodów. Próby ratowania koncepcji eteru były dość desperackie. Pojawiła się hipoteza kontrakcji FitzGeralda-Lorentza, która zakładała, że ciała poruszające się względem eteru kurczą się dokładnie na tyle, aby zniwelować oczekiwane efekty. Brzmiało to nieco jak dopasowywanie teorii do faktów.
Czytaj też: Fizyk przeżył uderzenie wiązki protonów w głowę. Naukowcy rekonstruowali jego eksperyment
Prawdziwy przełom nastąpił dopiero w 1905 roku, gdy młody Albert Einstein opublikował swoją szczególną teorię względności. Odrzucił on koncepcję eteru całkowicie, proponując radykalnie nowe spojrzenie na przestrzeń i czas. Jak sam później stwierdził:
Gdyby eksperyment Michelsona-Morleya nie wpędził nas w poważne zakłopotanie, nikt nie uznałby teorii względności za zbawienie — Albert Einstein
Teoria Einsteina zakładała, że prędkość światła jest stała dla wszystkich obserwatorów, niezależnie od ich ruchu. To radykalne założenie wyjaśniało zerowy wynik eksperymentu bez potrzeby istnienia eteru. Paradoksalnie, “nieudany” eksperyment przyniósł nauce nieoczekiwane korzyści. Sam interferometr okazał się niezwykle wartościowym narzędziem pomiarowym. Dzisiaj podobne urządzenia są używane w najróżniejszych dziedzinach – od precyzyjnych pomiarów długości po detekcję fal grawitacyjnych w obserwatoriach LIGO. Eksperyment Michelsona-Morleya pozostaje doskonałym przykładem tego, jak nauka naprawdę działa. Czasem najważniejsze odkrycia przychodzą tam, gdzie nikt się ich nie spodziewa – przez drzwi, które miały pozostać zamknięte. To właśnie te nieoczekiwane wyniki często prowadzą do największych rewolucji w myśleniu.