L'esperimento di Michelson-Morley fu condotto nel 1887 con lo scopo di rilevare il moto della terra rispetto al cosiddetto "etere", ovvero, un mezzo attraverso il quale si pensava si propagasse la radiazione elettromagnetica. Secondo la fisica classica, se la luce si propagava con velocità \(c\) nell'etere, a causa del moto della Terra si sarebbe dovuta osservare una diversa velocità della luce in diverse direzioni.

A tal fine, i ricercatori esaminarono la velocità della luce in varie direzioni utilizzando uno strumento che poi divenne noto come l'interferometro di Michelson.

Michelson e Morley non osservarono, tuttavia, alcuna differenza sostanziale tra la velocità della luce nelle varie direzioni! Questo risultato suggerì che la velocità della luce non obbediva alle regole di composizione delle velocità galileiane e che la teoria della propagazione della luce doveva essere rivista.

Questa conclusione è considerata come la prima prova sostanziale contro l'ipotesi dell'esistenza dell'etere. Inoltre, diede inizio a una linea di ricerca che portò all'elaborazione della teoria della relatività speciale.

Scopo dell'esperimento

Le teorie del XIX secolo ipotizzavano che, così come la propagazione del suono e delle onde dell'acqua necessita di un un mezzo, anche la luce avesse bisogno di un mezzo di propagazione, l'etere luminifero. Si pensava addirittura che anche il vuoto dovesse essere riempito di etere, visto che la luce può attraversarlo.

Lo scopo dell'esperimento Michelson-Morley era quello di dimostrare l'esistenza dell'etere luminifero. Secondo la relatività galileiana, se nell'etere la luce si propagava a velocità \(c\) , nei sistemi di riferimento inerziali in moto rispetto all'etere la luce si sarebbe propagata con velocità minore o maggiore di \(c\).

L'interferometro di Michelson

Per la procedura fu stato utilizzato uno strumento che poi divenne noto come interferometro di Michelson. Il diagramma in Figura 1 mostra, in maniera schematizzata, il funzionamento dell'interferometro.

Il fascio luminoso è diretto dalla sorgente (1) a uno specchio semiriflettente (5) posto al centro. Da qui, il fascio è in parte riflesso verso lo specchio 3 e in parte trasmesso verso lo specchio 4.

Il fascio di luce che raggiunge lo specchio 4 ritorna sullo specchio semiriflettente 5, che in parte lo riflette verso lo schermo (2).

Anche il fascio riflesso dallo specchio 3 ritorna sullo specchio semiriflettente 5 e parte di esso viene trasmessa allo schermo.

I due fasci sono quindi ricongiunti sul rilevatore dove si osserva una figura di interferenza.

L'apparato fu montato su una piastra galleggiante e posto in una vasca di mercurio per minimizzare l'effetto delle vibrazioni. Gli scienziati fecero poi ruotare l'interferometro su sé stesso rilevando contemporaneamente la posizione di una frangia luminosa della figura di interferenza. Per come l'esperimento era progettato, una diversa velocità nelle direzioni del fascio di luce sarebbe risultata in uno spostamento delle frange di interferenza.

Fig. 1 - Diagramma dell'interferometro di Michelson.

Michelson e Morley si aspettavano di notare uno spostamento delle frange di interferenza. Nello specifico, i due ricercatori si aspettavano che, ruotando l'interferometro, le frange di interferenza si spostassero rivelando il moto della Terra rispetto all'etere.

Risultati dell'esperimento

Dai risultati dell'esperimento, non emerse alcuna differenza significativa nelle velocità! Infatti, i risultati dell'esperimento mostravano che la velocità della luce non varia a seconda della direzione. Questo mise in discussione l'ipotesi dell'esistenza dell'etere. Occorreva quindi un'altra teoria per descrivere correttamente il comportamento della luce!

In Figura 2 è riportata una rappresentazione grafica dei risultati dell'esperimento che Michelson e Morley comunicarono in un articolo pubblicato dalla rivista American Journal of Science. La linea continua superiore rappresenta le osservazioni a mezzogiorno e quella inferiore le osservazioni notturne, mentre le linee tratteggiate sono quelle teoriche (le curve teoriche e quelle sperimentali non sono presentate nella stessa scala; infatti, le curve tratteggiate rappresentano solo un ottavo degli spostamenti previsti dalla teoria).

Fig. 2 - I risultati di Michelson e Morley.

L'articolo di Michelson e Morley sull'American Journal of Science mostrava che lo spostamento misurato era pari a un quarantesimo dello spostamento previsto. In sostanza, nessuno spostamento significativo fu osservato!

L'esperimento è noto come "il più famoso esperimento fallito" perché, sebbene i risultati dell'esperimento siano stati negativi e non abbiano potuto dimostrare ciò si intendeva dimostrare, ha mostrato che la velocità della luce non obbedisce alle regole di composizione della velocità galileiane, aprendo così la strada all'elaborazione della teoria della relatività ristretta.

Impatto sulla teoria della relatività speciale

Nel 1905, oltre due decenni dopo l'esperimento Michelson-Morley, Albert Einstein postulò l'invarianza della velocità della luce nei sistemi di riferimento inerziali.