A experiência de Michelson-Morley

Nos finais do século XIX, a teoria ondulatória da luz exigia um meio chamado éter, cujas vibrações produziriam os fenómenos do calor e da luz. Como a luz também se propagava no vácuo, entendia-se que o éter se estendia por todo o espaço, preenchendo o vácuo. No entanto, devido à enorme velocidade da luz, a detecção da presença e das propriedades do éter apresentava enormes dificuldades técnicas. A solução deste problema foi o interferómetro. O interferómetro é composto por uma fonte de luz coerente, um separador de feixe, dois espelhos, e um detector de luz. Um feixe de luz é emitido contra o separador, que o divide em dois feixes, cada um dirigido a um espelho, com um ângulo de 90º em relação um ao outro. Esses feixes são então reflectidos, voltam para o separador, e são recombinados, produzindo um padrão de interferência construtiva ou destrutiva, enquanto são desviados para o detector. O padrão criado depende do tempo que a luz demorou a percorrer o espaço desde que se separaram os feixes, até se recombinarem. Se a Terra se está a mover no éter, o feixe paralelo ao "vento" do éter mover-se-ia mais lentamente do que o feixe perpendicular, e revelar-se-ia esse efeito na mudança da posição das franjas de interferência. Se o éter estivesse estacionário em relação ao Sol, esperar-se-ia um desvio das franjas de 4% de uma franja.

Em 1881, na Alemanha, Michelson usou um protótipo para realizar medidas, tendo observado um desvio de 2% em vez dos 4% esperados. Contudo, como o aparelho era apenas preliminar, a experiência continha demasiados erros experimentais para se poderem tirar conclusões correctas, a não ser a de que o método podia ser posto em prática.

Seis anos mais tarde Michelson colaborou com Edward Morley, gastando muito tempo e dinheiro a criar uma versão melhorada do aparelho com precisão mais do que suficiente para detectar o vento. Nesta altura Michelson era professor de Física na Case School of Applied Science, e Morley de Química na Western University Reserve que partilhava um campus com a Case School. A experiência foi executada em vários períodos de muitas observações entre Abril e Julho 1887, no dormitório Adelbert na Western Reserve (mais tarde Pierce Hall, demolido em 1962).

Na experiência, a luz tinha que percorrer 11 m, sendo o desvio de 0,4 franja. Para este desvio ser detectado mais facilmente, o aparelho foi montado numa sala fechada, eliminando a maioria dos efeitos termais e vibracionais. Estava colocado sobre um grande bloco de arenito com 30 cm de espessura e 150 cm^2, que por sua vez flutuava numa calha anelar com mercúrio. Estimou-se uma precisão de 0,01 franja. Por estar a flutuar em cima de mercúrio, a rotação do aparelho tornava-se fácil de tal modo que, dando um impulso constante, ele percorreria todos os ângulos possíveis da direcção do éter, enquanto eram continuamente efectuadas medidas olhando para a ocular. Durante cada uma das rotações completas do aparelho, cada braço ficaria paralelo ao éter duas vezes, em sentidos opostos, assim como perpendicular, também duas vezes e em sentidos opostos. Este efeito mostraria leituras na forma duma onda sinusoidal percorrida ao longo de 2 pi.

Mas, após todos estes cuidadosos planeamento e preparação, a experiência ficou conhecida como a mais famosa experiência falhada. Ao invés de dar informações sobre as propriedades do éter, o artigo de Michelson e Morley publicado no American Journal of Science dava resultados tão pequenos como 1/40 do desvio esperado. A velocidade resultante destes dados era demasiado pequena para servir de indício de velocidade relativamente ao éter. Mais tarde mostrou-se que, dentro de um pequeno erro experimental, se podia dizer que o efeito era zero. Estes resultados negativos viriam a ser confirmados pela teoria da relatividade restrita de Einstein, de 1905, assente no postulado da constância da velocidade da luz.

Apesar de Michelson e Morley terem passado a efectuar outras experiências após a sua publicação do seu resultado principal em 1887, ambos continuaram activos na área do éter. Outras versões da mesma experiência foram levadas a cabo com maior sofisticação, eliminando qualquer tipo de possibilidade de onda estacionária dentro do aparelho, efeitos de magnetoestrição, efeitos termais, etc. Em 1958, Charles H. Townes colocou um limite superior ao desvio, incluindo quaisquer erros experimentais, de apenas 30 m/s para o vento do éter. Em 1974, novas realizações da experiência, com lasers muito precisos, reduziram esse resultado para 0,025 m/s. Em 1979, a experiência de Brillet-Hall estabeleceu um limite de 30 m/s para qualquer direcção única, e reduziu para apenas 10^-6 m/s para o caso bidireccional. Em 1990, uma nova experiência com a duração de um ano baixou o limite para 2 x 10^-13 m/s.

Raimundo Martins