Na segunda metade do século XIX, as visões físicas sobre a natureza da propagação da luz, a ação da gravidade e alguns outros fenômenos começaram a encontrar cada vez mais dificuldades. Eles estavam ligados ao conceito etéreo dominante na ciência. Ficou no ar a ideia de realizar um experimento que resolvesse as contradições acumuladas, como dizem.
Na década de 1880, foi montada uma série de experimentos, muito complexos e sutis para a época - os experimentos de Michelson para estudar a dependência da velocidade da luz na direção do movimento do observador. Antes de nos aprofundarmos na descrição e nos resultados desses famosos experimentos, é necessário relembrar o que era o conceito de éter e como se entendia a física da luz.
Visões do século XIX sobre a natureza do mundo
No início do século, a teoria ondulatória da luz triunfou, recebendo brilhantes experiênciasconfirmação nas obras de Jung e Fresnel, e mais tarde - e justificação teórica na obra de Maxwell. A luz exibia absolutamente inegavelmente propriedades ondulatórias, e a teoria corpuscular estava enterrada sob uma pilha de fatos que não podia explicar (ela só seria revivida no início do século 20 em uma base completamente nova).
No entanto, a física daquela época não conseguia imaginar a propagação de uma onda a não ser através das vibrações mecânicas de um meio. Se a luz é uma onda e é capaz de se propagar no vácuo, os cientistas não tiveram escolha a não ser assumir que o vácuo é preenchido com uma certa substância, devido às suas vibrações conduzirem ondas de luz.
Éter Luminoso
A substância misteriosa, sem peso, invisível, não registrada por nenhum dispositivo, chamava-se éter. O experimento de Michelson foi projetado apenas para confirmar o fato de sua interação com outros objetos físicos.
Hipóteses sobre a existência da matéria etérea foram formuladas por Descartes e Huygens no século XVII, mas ela se tornou necessária como ar no século XIX e, ao mesmo tempo, levou a paradoxos insolúveis. O fato é que para existir em geral, o éter tinha que ter qualidades mutuamente exclusivas ou, em geral, fisicamente irreais.
Condições do conceito de éter
Para coincidir com a imagem do mundo observado, o éter luminífero deve estar absolutamente imóvel - caso contrário, esta imagem seria constantemente distorcida. Mas sua imobilidade estava em conflito irreconciliável com as equações de Maxwell e o princípiorelatividade galileana. Para sua preservação, foi necessário admitir que o éter é levado pelos corpos em movimento.
Além disso, pensava-se que a matéria etérea era absolutamente sólida, contínua e, ao mesmo tempo, não impedia de forma alguma o movimento dos corpos através dela, incompressível e, além disso, possuidora de elasticidade transversal, caso contrário não conduziria ondas eletromagnéticas. Além disso, o éter foi concebido como uma substância que permeia tudo, o que, novamente, não se encaixa bem com a ideia de sua paixão.
A ideia e a primeira produção do experimento de Michelson
O físico americano Albert Michelson se interessou pelo problema do éter depois de ler a carta de Maxwell, publicada após a morte de Maxwell em 1879, descrevendo uma tentativa malsucedida de detectar o movimento da Terra em relação ao éter na revista Nature.
Em 1881, o primeiro experimento de Michelson ocorreu para determinar a velocidade da luz se propagando em diferentes direções em relação ao éter, um observador se movendo com a Terra.
A Terra, movendo-se em órbita, deve ser submetida à ação do chamado vento etéreo - fenômeno semelhante ao fluxo de ar que corre sobre um corpo em movimento. Um feixe de luz monocromático direcionado paralelamente a esse “vento” se moverá em sua direção, perdendo um pouco de velocidade, e vice-versa (refletindo no espelho) na direção oposta. A mudança de velocidade em ambos os casos é a mesma, mas é alcançada em tempos diferentes: o feixe "que se aproxima" desacelerado levará mais tempo para viajar. Então o sinal de luzemitido paralelamente ao "vento de éter" será necessariamente atrasado em relação a um sinal viajando na mesma distância, também com reflexão do espelho, mas na direção perpendicular.
Para registrar esse atraso, foi utilizado um dispositivo inventado pelo próprio Michelson - um interferômetro, cujo funcionamento se baseia no fenômeno da superposição de ondas de luz coerentes. Se uma das ondas estivesse atrasada, o padrão de interferência mudaria devido à diferença de fase resultante.
O primeiro experimento de Michelson com espelhos e um interferômetro não deu um resultado inequívoco devido à sensibilidade insuficiente do dispositivo e subestimação de inúmeras interferências (vibrações) e causou críticas. Foi necessária uma melhoria significativa na precisão.
Experiência repetida
Em 1887, o cientista repetiu o experimento junto com seu compatriota Edward Morley. Eles usaram uma configuração avançada e tomaram cuidado especial para eliminar a influência de fatores colaterais.
A essência da experiência não mudou. O feixe de luz coletado por meio de uma lente incidia em um espelho semitransparente colocado em um ângulo de 45°. Aqui ele dividiu: um feixe penetrou no divisor, o segundo foi na direção perpendicular. Cada um dos feixes foi então refletido por um espelho plano comum, retornado ao divisor de feixe e, em seguida, atingiu parcialmente o interferômetro. Os experimentadores estavam confiantes na existência de um "vento etéreo" e esperavam obter uma mudança completamente mensurável de mais de um terço da franja de interferência.
Era impossível negligenciar o movimento do sistema solar no espaço, então a ideia do experimento incluía a capacidade de girar a instalação para ajustar a direção do "vento etéreo".
Para evitar interferência de vibração e distorção da imagem ao girar o aparelho, toda a estrutura foi colocada sobre uma laje de pedra maciça com um flutuador toroidal de madeira flutuando em mercúrio puro. A fundação sob a instalação foi enterrada na rocha.
Resultados experimentais
Os cientistas realizaram observações cuidadosas ao longo do ano, girando a placa com o aparelho no sentido horário e anti-horário. O padrão de interferência foi registrado em 16 direções. E, apesar da precisão sem precedentes para sua época, o experimento de Michelson, realizado em colaboração com Morley, deu um resultado negativo.
Ondas de luz em fase saindo do divisor de feixes atingiram a linha de chegada sem deslocamento de fase. Isso se repetia todas as vezes, em qualquer posição do interferômetro, e significava que a velocidade da luz no experimento de Michelson não mudava em nenhuma circunstância.
A verificação dos resultados do experimento foi realizada repetidamente, inclusive no século XX, usando interferômetros a laser e ressonadores de micro-ondas, atingindo uma precisão de um décimo bilionésimo da velocidade da luz. O resultado da experiência permanece inabalável: este valor permanece in alterado.
O significado do experimento
Dos experimentos de Michelson e Morley, conclui-se que o "vento etéreo" e, consequentemente, essa matéria indescritível em si simplesmente não existe. Se algum objeto físico não for fundamentalmente detectado em nenhum processo, isso equivale à sua ausência. Os físicos, incluindo os autores do experimento brilhantemente encenado, não perceberam imediatamente o colapso do conceito de éter e, com ele, o quadro de referência absoluto.
Somente Albert Einstein em 1905 conseguiu apresentar uma nova explicação consistente e ao mesmo tempo revolucionária dos resultados do experimento. Considerando esses resultados como eles são, sem tentar extrair deles um éter especulativo, Einstein chegou a duas conclusões:
- Nenhum experimento óptico pode detectar o movimento retilíneo e uniforme da Terra (o direito de considerá-lo como tal é dado pela curta duração do ato de observação).
- Em relação a qualquer referencial inercial, a velocidade da luz no vácuo permanece in alterada.
Estas conclusões (a primeira - em combinação com o princípio da relatividade de Galileu) serviram de base para a formulação de Einstein de seus famosos postulados. Assim, o experimento de Michelson-Morley serviu como uma base empírica sólida para a teoria da relatividade especial.
