Как един елегантен експеримент разби старите представи за Вселената.
В края на XIX век физиката е на прага на революционна промяна, макар че тогава никой не подозира за това. Учените са били убедени, че светлината, подобно на звука или вълните във водата, трябва да се разпространява през някаква среда. Тази хипотетична субстанция била наречена „светоносен етер“. Предполагало се, че етерът изпълва цялото пространство, включително вакуума, и служи като среда за разпространение на електромагнитните вълни, включително светлината.
Теорията за етера изглеждала логично продължение на успешните вълнови теории, обясняващи поведението на звука и други вълнови явления. Тя обаче повдига редица въпроси относно физическите свойства на етера, взаимодействието му с обикновената материя и възможността за експерименталното му откриване. Именно последният въпрос привлича вниманието на Алберт Ейбрахам Майкелсън, американски физик от немски произход.
Михелсън решава да проведе експеримент, който да докаже или отхвърли съществуването на етера. Идеята му се основава на предположението, че ако етерът съществува и е неподвижен спрямо абсолютното пространство, то движението на Земята през този етер би трябвало да създава „етерен вятър“. Този ефект щял да влияе на скоростта на светлината в различни посоки, точно както движението на лодка влияе на скоростта ѝ в и срещу течението на река.
За провеждането на експеримента Майкелсън разработва специален инструмент, наречен интерферометър. Този инструмент е способен да измерва изключително малки разлики в скоростта на светлината с безпрецедентна точност. Принципът на интерферометъра се състои в разделянето на светлинния лъч на два перпендикулярни лъча, които изминават еднакви разстояния в перпендикулярни посоки, и след това се свързват отново, създавайки интерференчна картина. Ако съществуваше етер, лъч, пътуващ успоредно на движението на Земята, би трябвало да измине пътя си за различно време от лъча, пътуващ перпендикулярно. Тази разлика би трябвало да се прояви в изместване на интерференчните линии.
Майкелсън провежда първия експеримент през 1881 г. в Берлин. Въпреки високата точност на уреда не е открито значително изместване на интерференчните линии. Този резултат противоречи на теорията за етера, но Майкелсън не е напълно удовлетворен от точността на експеримента и решава да го повтори с подобрено оборудване.
През 1887 г. Майкелсън, вече съвместно с химика Едуард Морли, провежда подобрен експеримент. Новият интерферометър е много по-голям и по-точен. Оптическият път на лъчите е увеличен до 11 метра чрез многократни отражения, а инструментът е монтиран върху масивна каменна плоча, плаваща в живак, за да се намалят вибрациите. Експериментът е проведен многократно в различни части на деня и годината, за да се отчетат всички възможни посоки на движение на Земята спрямо хипотетичния етер.
Въпреки всички подобрения, резултатът останал същият – не било засечено никакво по-значително разместване на интерференчните линии. Скоростта на светлината била еднаква във всички посоки с точност до 5 км/сек, което било много по-малко от очакваната разлика от 30 км/сек, дължаща се на орбиталното движение на Земята.
Резултатите от експеримента на Майкелсън-Морли предизвикват объркване в научната общност. Предложени са различни теории, които да обяснят „нулевия резултат“. Огюстен Френел предполага, че движещите се тела са частично увлечени от етера. Джордж Фицджералд и Хендрик Лоренц независимо един от друг предлагат движещите се обекти да се свиват по посока на движението, което би компенсирало ефекта на етерния вятър. Някои учени дори се връщат към идеята на Нютон, че светлината е съставена от частици, излъчвани от източник. Всички тези теории обаче или противоречат на други наблюдения, или изглеждат прекалено сложни и изкуствени.
Решението на загадката дошло по неочакван начин. През 1905 г. младият физик Алберт Айнщайн публикува статия, озаглавена „За електродинамиката на движещите се тела„, в която представя специалната теория на относителността. Айнщайн постулира, че законите на физиката са едни и същи във всички инерциални отправни системи и че скоростта на светлината във вакуум е постоянна и не зависи от движението на източника или наблюдателя. Тези на пръв поглед прости твърдения водят до революционни заключения, включително до изоставянето на концепцията за абсолютно време и пространство, относителността на едновременността на събитията и еквивалентността на масата и енергията. Теорията на Айнщайн елегантно обяснява резултатите от експеримента на Майкелсън-Морли, без да е необходим етер или други допълнителни хипотези.
Експериментът на Майкелсън-Морли се превръща в един от най-влиятелните експерименти в историята на физиката. Той не само опровергава господстващата повече от век теория за светлинния етер, но и става експериментална основа за създаването на специалната теория на относителността. Тя също така демонстрира значението на „отрицателните“ резултати в науката и стимулира развитието на технологиите за измерване с висока точност.
Идеите, залегнали в основата на експеримента на Майкелсън-Морли, продължават да оказват влияние върху съвременната физика. Лазерни интерферометри, базирани на същия принцип, се използват за откриване на гравитационните вълни. Високопрецизните атомни часовници, основани на стабилността на скоростта на светлината, се използват в глобалните системи за позициониране. Принципът на постоянството на скоростта на светлината е в основата на съвременната квантова теория на полето и теорията на елементарните частици.
Експериментът на Майкелсън-Морли е нагледен пример за това как един „неуспешен“ експеримент може да доведе до революционни открития. Той показа, че природата понякога не е такава, каквато изглежда, и че научният метод, основан на внимателни измервания и готовност за преразглеждане на съществуващите теории, е мощен инструмент за разбиране на света. Този експеримент завинаги промени разбирането ни за основите на Вселената и отвори пътя към нови хоризонти във физиката, които продължаваме да изследваме и днес.
