Dans la seconde moitié du 19ème siècle, les vues physiques sur la nature de la propagation de la lumière, l'action de la gravité et certains autres phénomènes ont de plus en plus clairement commencé à rencontrer des difficultés. Ils étaient liés au concept éthéré dominant dans la science. L'idée de mener une expérience qui résoudrait les contradictions accumulées, comme on dit, était dans l'air.
Dans les années 1880, une série d'expériences a été mise en place, très complexe et subtile pour l'époque - les expériences de Michelson pour étudier la dépendance de la vitesse de la lumière sur la direction du mouvement de l'observateur. Avant de s'attarder plus en détail sur la description et les résultats de ces fameuses expériences, il est nécessaire de rappeler ce qu'était le concept d'éther et comment la physique de la lumière était comprise.
Vues du XIXe siècle sur la nature du monde
Au début du siècle, la théorie ondulatoire de la lumière a triomphé, recevant de brillants résultats expérimentauxconfirmation dans les travaux de Jung et Fresnel, et plus tard - et justification théorique dans les travaux de Maxwell. La lumière présentait indéniablement des propriétés ondulatoires, et la théorie corpusculaire était ensevelie sous une pile de faits qu'elle ne pouvait expliquer (elle ne renaîtra qu'au début du 20ème siècle sur une base complètement nouvelle).
Cependant, la physique de cette époque ne pouvait imaginer la propagation d'une onde autrement qu'à travers les vibrations mécaniques d'un milieu. Si la lumière est une onde, et qu'elle est capable de se propager dans le vide, alors les scientifiques n'avaient d'autre choix que de supposer que le vide est rempli d'une certaine substance, en raison de ses vibrations conduisant les ondes lumineuses.
Éther lumineux
La substance mystérieuse, en apesanteur, invisible, non enregistrée par aucun appareil, s'appelait l'éther. L'expérience de Michelson a juste été conçue pour confirmer le fait de son interaction avec d'autres objets physiques.
Les hypothèses sur l'existence de la matière éthérée ont été émises par Descartes et Huygens au 17e siècle, mais elle est devenue nécessaire comme air au 19e siècle, et a en même temps conduit à des paradoxes insolubles. Le fait est que pour exister en général, l'éther devait avoir des qualités mutuellement exclusives ou, en général, physiquement irréelles.
Contradictions du concept Ether
Pour correspondre à l'image du monde observé, l'éther luminifère doit être absolument immobile - sinon cette image serait constamment déformée. Mais son immobilité était en conflit irréconciliable avec les équations de Maxwell et le principerelativité galiléenne. Pour leur conservation, il fallait admettre que l'éther est emporté par les corps en mouvement.
De plus, la matière éthérée était considérée comme absolument solide, continue et en même temps n'entravant en rien le mouvement des corps à travers elle, incompressible et, de plus, possédant une élasticité transversale, sinon elle ne conduirait pas les ondes électromagnétiques. De plus, l'éther a été conçu comme une substance omniprésente, ce qui, encore une fois, ne cadre pas bien avec l'idée de sa passion.
L'idée et la première production de l'expérience de Michelson
Le physicien américain Albert Michelson s'est intéressé au problème de l'éther après avoir lu la lettre de Maxwell, publiée après la mort de Maxwell en 1879, décrivant une tentative infructueuse de détecter le mouvement de la Terre par rapport à l'éther dans la revue Nature.
En 1881, la première expérience de Michelson a eu lieu pour déterminer la vitesse de la lumière se propageant dans différentes directions par rapport à l'éther, un observateur se déplaçant avec la Terre.
La Terre, se déplaçant en orbite, doit être soumise à l'action du soi-disant vent éthéré - un phénomène similaire au flux d'air circulant sur un corps en mouvement. Un faisceau lumineux monochromatique dirigé parallèlement à ce « vent » se dirigera vers lui en perdant un peu de vitesse, et inversement (en se réfléchissant sur le miroir) dans le sens opposé. Le changement de vitesse dans les deux cas est le même, mais il s'effectue à des moments différents: le faisceau « venant en sens inverse » ralenti mettra plus de temps à se déplacer. Alors le signal lumineuxémis parallèlement au "vent d'éther" sera nécessairement retardé par rapport à un signal parcourant la même distance, également avec réflexion sur le miroir, mais dans une direction perpendiculaire.
Pour enregistrer ce retard, un dispositif inventé par Michelson lui-même a été utilisé - un interféromètre, dont le fonctionnement est basé sur le phénomène de superposition d'ondes lumineuses cohérentes. Si l'une des ondes était retardée, le modèle d'interférence se décalerait en raison de la différence de phase résultante.
La première expérience de Michelson avec des miroirs et un interféromètre n'a pas donné de résultat univoque en raison d'une sensibilité insuffisante de l'appareil et d'une sous-estimation de nombreuses interférences (vibrations) et a suscité des critiques. Une amélioration significative de la précision était nécessaire.
Expérience répétée
En 1887, le scientifique a répété l'expérience avec son compatriote Edward Morley. Ils ont utilisé une configuration avancée et ont pris un soin particulier à éliminer l'influence des facteurs secondaires.
L'essence de l'expérience n'a pas changé. Le faisceau lumineux collecté au moyen d'une lentille était incident sur un miroir semi-transparent placé à un angle de 45°. Ici, il a divisé: un faisceau a pénétré à travers le diviseur, le second est allé dans une direction perpendiculaire. Chacun des faisceaux a ensuite été réfléchi par un miroir plat ordinaire, renvoyé vers le séparateur de faisceau, puis a partiellement atteint l'interféromètre. Les expérimentateurs étaient convaincus de l'existence d'un "vent éthéré" et s'attendaient à obtenir un déplacement complètement mesurable de plus d'un tiers de la frange d'interférence.
Il était impossible de négliger le mouvement du système solaire dans l'espace, donc l'idée de l'expérience incluait la possibilité de faire pivoter l'installation afin d'affiner la direction du "vent éthéré".
Pour éviter les interférences de vibration et la distorsion de l'image lors de la rotation de l'appareil, toute la structure a été placée sur une dalle de pierre massive avec un flotteur toroïdal en bois flottant dans du mercure pur. La fondation sous l'installation a été enterrée jusqu'à la roche.
Résultats expérimentaux
Les scientifiques ont effectué des observations minutieuses tout au long de l'année, faisant tourner la plaque avec l'appareil dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Le motif d'interférence a été enregistré dans 16 directions. Et, malgré une précision sans précédent pour son époque, l'expérience de Michelson, menée en collaboration avec Morley, donna un résultat négatif.
Les ondes lumineuses en phase quittant le séparateur de faisceau ont atteint la ligne d'arrivée sans déphasage. Cela a été répété à chaque fois, à n'importe quelle position de l'interféromètre, et signifiait que la vitesse de la lumière dans l'expérience de Michelson ne changeait en aucune circonstance.
La vérification des résultats de l'expérience a été effectuée à plusieurs reprises, y compris au XXe siècle, à l'aide d'interféromètres laser et de résonateurs à micro-ondes, atteignant une précision d'un dix milliardième de la vitesse de la lumière. Le résultat de l'expérience reste inébranlable: cette valeur est inchangée.
Le sens de l'expérience
Des expériences de Michelson et Morley, il s'ensuit que le "vent éthéré", et, par conséquent, cette matière insaisissable elle-même n'existe tout simplement pas. Si un objet physique n'est fondamentalement pas détecté dans aucun processus, cela équivaut à son absence. Les physiciens, y compris les auteurs de l'expérience brillamment mise en scène, n'ont pas immédiatement réalisé l'effondrement du concept d'éther, et avec lui le cadre de référence absolu.
Seul Albert Einstein en 1905 a réussi à présenter une nouvelle explication cohérente et en même temps révolutionnaire des résultats de l'expérience. Considérant ces résultats tels qu'ils sont, sans essayer d'y puiser de l'éther spéculatif, Einstein est arrivé à deux conclusions:
- Aucune expérience optique ne peut détecter le mouvement rectiligne et uniforme de la Terre (le droit de le considérer comme tel est donné par la courte durée de l'acte d'observation).
- Quel que soit le référentiel inertiel, la vitesse de la lumière dans le vide est inchangée.
Ces conclusions (la première - en combinaison avec le principe galiléen de relativité) ont servi de base à la formulation par Einstein de ses célèbres postulats. L'expérience de Michelson-Morley a donc servi de base empirique solide à la théorie restreinte de la relativité.
