Próba odkrycia eteru dzięki doświadczeniu Michelsona-Morleya

Dźwięk w czasach Newtona był dość dobrze rozumiany. Już starożytni Grecy wiedzieli, że dźwięk generowany jest przez drgający obiekt. Posługując się przykładem wibrującego bębna, membrana miała popychać i ciągnąć powietrze znajdujące się bezpośrednio nad bębnem. Wysyłana w ten sposób falę porównywali do fal na wodzie. Po dotarciu do naszego ucha, fale te pociągały lub popychały błonę bębenkową. Przekazywana była w ten sposób informacja do mózgu zarówno o głośności jak i wysokości dźwięku.

Mówiąc o falach warto przypomnieć sobie ich właściwości. Jedną z nich jest interferencja. Jeśli dwa obiekty drgają, fale wytworzone spotykają się. W miejscu nałożenia się na siebie dwóch grzbietów fala zostaje wzmocniona. Tam, gdzie grzbiet napotka dolinę, fale znoszą się wzajemnie. Warto też wspomnieć o wysokości dźwięku. Dźwięk wysokotonowy jest bardziej kierunkowy niż niskotonowy. Upraszczając, jeśli głośnik (zwłaszcza tani) skierujesz w swoją stronę, dźwięk będzie głośniejszy. Niski dźwięk z kolei będzie rozchodził się we wszystkich kierunkach niezależnie od skierowania głośnika.

Po tych kilku informacjach o naturze fal zastanówmy się, czy światło jest falą, czy cząsteczkami. Argumentem za cząsteczkową naturą światła jest jego poruszanie się po liniach prostych. Dźwięk słyszymy będąc nawet w innym pokoju. Chowając się za rogiem nie zobaczymy przedmiotu znajdującego się w innym pomieszczeniu. Wiadomo było również, że światło dociera do nas ze Słońca oraz innych gwiazd. Fala musi się rozchodzić w jakimś ośrodku a powietrze nie sięga aż tak daleko. Gdyby tak było, opór powietrza spowalniałby ruch innych planet.

Mimo tych wszystkich zastrzeżeń, na przełomie XVIII i XIX wieku przyjęto, że światło ma naturę falową. A powodem, dlaczego nie było to zauważalne, była bardzo krótka długość fali.  Zgadzało się to z obserwacjami dźwięku - im wyższa częstotliwość i krótsza długość fali tym większa tendencja do poruszania się po liniach prostych. Kiedy przechodzi fala dźwiękowa ośrodek, np. powietrze, faluje.  Światło więc jako fala również musi się rozchodzić w jakimś ośrodku. Ośrodek ten nazwano eterem, który otacza i przenika wszystko we wszechświecie. Skoro możemy zobaczyć światło, nawet dalekich gwiazd, również eter musi tam docierać.

Skoro obliczenia wykazały dużą prędkość światła, to znaczy, że eter musi być wyjątkowo lekki oraz trudny do skompresowania. Z drugiej strony musi umożliwiać swobodne poruszanie się obiektów w kosmosie, w innym przypadku planety by zwalniały. Dodatkowo nie może przenosić dźwięku, przecież nigdy nie było słychać żadnego odgłosu z Księżyca. Nasuwało się więc pytanie: jak możemy udowodnić jego istnienie?

Tu właśnie udział ma eksperyment Michelsona-Morleya. Badacz zachęcony poprzednim sukcesem, postawił sobie wyzwanie wykrycia wiatru eterowego. Założył, że skoro prędkość dźwięku zależy od powietrza, to prędkość światła musi powiązać z eterem. Postanowił zmierzyć prędkość światła z wiatrem eterowym oraz pod wiatr.

Eksperyment polegał na skierowaniu impulsu światła na ustawione pod kątem 45 stopni półprzezroczyste lustro. Połowa impulsu przechodziła przez światło, połowa była odbijana. Oba impulsy dochodziły do dwóch luster, od których odbijając się z powrotem trafiały do odbiornika by interferować. Interferometr Michelsona umieszczony był na gramofonie, aby można nim było obracać. Jednak pomimo obrotów badacz nie zauważył żadnych zmian w układzie prążków interferencyjnych. Po opublikowaniu wyników pojawiły się głosy krytyki, ponieważ doświadczenie burzyło ówczesny model fizyki. Michelson powtórzył doświadczenie wspólnie w Edwardem Morleyem dziesięciokrotnie zwiększając drogę, jaką musi pokonać światło. Dodatkowo stosując rtęć zmniejszyli możliwość drgania. Eksperyment wielokrotnie powtarzano. Nie uzyskano żadnego ruchu prążków.

W 1887 roku opublikowali wyniki udowadniające, że eter nie istnieje. Uważa się, że nieudany eksperyment Michelsona-Morleya doprowadził do powstania specjalnej teorii względności Alberta Einsteina z 1905 roku, która zakłada stałą prędkość światła w próżni. Jak mówi Hellmut Fritzsch, emerytowany profesor fizyki na Uniwersytecie w Chicago, toczy się spór czy Einstein w ogóle wiedział o tym eksperymencie w momencie swoich badań.

Michelson przeniósł się 1889 r. na Clark University, jednak William Rainey Harper, założyciel Uniwersytetu w Chicago nakłonił go do założenia Wydziału Fizyki na tamtejszym Uniwersytecie. 10 grudnia 1907 roku otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki za jego precyzyjne eksperymenty optyczne.