ניסוי מייקלסון-מורלי

"רוח האתר" שכדור הארץ נע בתוכה, על פי התאוריה שהייתה מקובלת עד תחילת המאה ה-20

ניסוי מייקלסון-מורלי הוא ניסוי פיזיקלי אשר נערך לראשונה בשנת 1887 על ידי אלברט אברהם מייקלסון ואדוארד מורלי. הניסוי נחשב לאחד מן הניסויים החשובים ביותר בהיסטוריה של הפיזיקה, וכעשרים שנה לאחר שנערך פורש כראיה המוצקה הראשונה נגד נכונות תאוריית האֶתֶר, אשר הייתה התאוריה השלטת בקרב הפיזיקאים מתחילת המאה ה-18. בין השלכותיו של הניסוי ניתן למנות את קבלת תורת היחסות של אלברט איינשטיין ואת פיתוח האינטרפרומטריה. תוצאות ניסוי זה הביאו בהמשך לגיבוש ההבנה כי הפיזיקה הקלאסית אינה מתארת באופן שלם ומדויק את היקום. על עבודה זו, לצד פיתוח ענף האינטרפרומטריה, הוענק בשנת 1907 פרס נובל לפיזיקה למייקלסון^[1].

במסגרת הניסיון להבין את תופעת האור ומהותו, הציע אייזק ניוטון בשנת 1704 את קיומו של תווך שקוף, לא דחיס, חסר משקל, צמיגות והתנגדות, אשר נושא על גביו את האור. תווך זה כונה על ידי ניוטון ואחרים "Luminiferous Aether" (האֶתֶר נושא האור). רעיון האתר אומץ על ידי פיזיקאים אחרים במרוצת השנים, והיה חלק מהתורה האלקטרומגנטית שפיתח ג'יימס קלארק מקסוול בשלהי המאה ה-19, ושתיארה את גלי הקרינה האלקטרומגנטית כתנודות באתר.

אחת מהתוצאות החשובות של עבודתו של מקסוול הייתה התאוריה כי לגלים אלקטרומגנטיים בכלל ולאור בפרט, מהירות קבועה בריק - מהירות האור (299,792,458 מטרים בשנייה). אם אכן האור נע בתווך (אתר), אזי תנועה יחסית לתווך תניב מהירות שונה של מהירות האור (ראו איור).

התאוריה בסוף המאה ה-19 גרסה שהאתר נמצא בכל מקום, על כדור הארץ וביקום כולו. ההנחה המקובלת הייתה שכאשר כדור הארץ נע סביב השמש בתוך האתר נוצרות "רוחות אתר", כפי שאופנוען מייצר תנועת אוויר יחסית אליו. אור שנע בכיוון רוח האתר ינוע מהר יותר מאור שנע בזווית אחרת לרוח האתר, ונעשו ניסויים במטרה למדוד הבדלים במהירות האור בכיוונים שונים. אך מהירות האור היא כ-300 אלף קילומטר לשנייה לעומת מהירות כדור הארץ סביב השמש שהיא כ-30 קילומטר לשנייה, ועל פי חישובים הבדלי המהירות בכיוונים השונים היו אמורים להיות בסדר גודל של 1 חלקי מאה מיליון. מכשירי המדידה באותה עת לא היו מסוגלים למדוד את מהירות האור בדיוק כזה.

מייקלסון הגה רעיון לגלות את קיומם של הפרשי המהירות בדרך עקיפה, על סמך התאבכות של קרני אור שמגיעות מכיוונים שונים באמצעות אינטרפרומטר.

הניסוי של מייקלסון ומורלי הורכב ממערך של מקור אור, שתי מראות, טלסקופ בתור גלאי, ובאמצע מראה חדירה למחצה. מראה חדירה למחצה - או מראה מפצלת - היא זכוכית שמכוסה בשכבה דקה של כסף, חלק מהאור עובר דרכה ללא הפרעה וחלק ניתז ממנה בזווית של 90 מעלות. המראה החדירה למחצה הוצבה בזווית של 45 מעלות, חלק מהקרניים שהגיעו אליה ממקור האור עבר דרכה למראה אחת, וחלק אחר חזר ממנה והגיע למראה השנייה. מהמראות האור חזר חזרה למראה החדירה למחצה, וממנה הגיעו קרני האור משתי המראות יחד אל הגלאי. המערכת כולה הורכבה על אבן גדולה משוקעת בבריכת כספית, כדי לנטרל השפעה של תנודות הרצפה והאוויר.

מייקלסון ומורלי ציפו לראות תבנית התאבכות שונה כאשר מסובבים את המערך כולו. הם עשו מדידות בשעות שונות של היום ובעונות השנה השונות מתוך הנחה שרוח האתר היא בכיוון שונה, אבל העלו חרס. היה זה אחד הניסויים המדויקים ביותר בזמנו וגם יקר מאוד, אך מהירות האור שנמדדה בכיוונים שונים הייתה זהה.

מייקלסון ומורלי סברו שהמכשור לא היה רגיש דיו, ואילו הפיזיקאי הנדריק לורנץ שיער ב-1892 שהגופים הנעים מתכווצים בכיוון התנועה באתר.

היום ניסוי זה נודע כאחד ה"כישלונות" המפורסמים בפיזיקה, משום שלמעשה היה מדויק מאוד ולא נכשל. בדיעבד הוא היווה אישוש לתורת היחסות הפרטית של איינשטיין שפורסמה בשנת 1905, ושוללת את קיומו של תווך האתר.