O experimento fracassado que mudou o mundo
A configuração original do experimento de Michelson-Morley, de 1887. Crédito da imagem: Case Western Reserve Archives.
Às vezes, projetar um experimento cuidadoso e medir absolutamente nenhum efeito pode ser o resultado mais importante de todos.
Parece, de tudo o que precede, razoavelmente certo que, se houver algum movimento relativo entre a Terra e o éter luminífero, ele deve ser pequeno; bastante pequeno o suficiente para refutar a explicação da aberração de Fresnel. – Albert A. Michelson
Na ciência, não realizamos simplesmente experimentos à toa. Nós não juntamos as coisas ao acaso e perguntamos, o que acontece se eu fizer isso? Examinamos os fenômenos que existem, as previsões que nossas teorias fazem e procuramos maneiras de testá-los em detalhes cada vez maiores. Às vezes, eles dão uma concordância extraordinária a uma nova precisão, confirmando o que pensávamos. Às vezes, eles discordam, apontando o caminho para uma nova física. E, às vezes, eles não dão nenhum resultado diferente de zero. Na década de 1880, um experimento incrivelmente preciso falhou exatamente dessa maneira e abriu o caminho para a relatividade e a mecânica quântica ao fazê-lo.
As órbitas dos planetas e cometas, entre outros objetos celestes, são regidas pelas leis da gravitação universal. Crédito da imagem: Kay Gibson, Ball Aerospace & Technologies Corp.
Vamos ainda mais longe na história para entender por que isso foi um grande negócio. A gravitação foi a primeira das forças a ser compreendida, como Newton lei da gravitação universal em 1600, explicando os movimentos dos corpos na Terra e no espaço. Algumas décadas depois (em 1704), Newton também apresentou uma teoria da luz – a teoria corpuscular – que afirmava que a luz era composta de partículas, que essas partículas são rígidas e sem peso e que se movem em linha reta, a menos que algo as faça refletir, refratar ou difratar.
As propriedades da luz, como reflexão e refração, parecem ser corpusculares, mas também há fenômenos ondulatórios que ela exibe. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Spigget.
Isso foi responsável por muitos fenômenos observados, incluindo a percepção de que a luz branca era a combinação de todas as outras cores de luz. Mas com o passar do tempo, muitos experimentos revelaram a natureza ondulatória da luz, uma explicação alternativa de Christiaan Huygens, um dos contemporâneos de Newton.
Quando qualquer onda – ondas de água, ondas sonoras ou ondas de luz – passa por uma fenda dupla, as ondas criam um padrão de interferência. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Lookang.
Huygens propôs, em vez disso, que cada ponto que pode ser considerado uma fonte de luz, inclusive de uma onda de luz simplesmente viajando para frente, agia como uma onda, com uma frente de onda esférica emanando de cada um desses pontos. Embora muitos experimentos produzissem os mesmos resultados se você adotasse a abordagem de Newton ou a abordagem de Huygens, houve alguns que ocorreram a partir de 1799 isso realmente começou a mostrar o quão poderosa era a teoria das ondas.
A luz de diferentes comprimentos de onda, quando passa por uma fenda dupla, exibe as mesmas propriedades ondulatórias que outras ondas. Crédito da imagem: Grupo de Serviços Técnicos do Departamento de Física do MIT.
Ao isolar diferentes cores de luz e passá-las através de fendas simples, fendas duplas ou grades de difração, os cientistas puderam observar padrões que só poderiam ser produzidos se a luz fosse uma onda. De fato, os padrões produzidos - com picos e vales - espelhavam os de ondas conhecidas, como ondas de água.
As propriedades ondulatórias da luz tornaram-se ainda melhor compreendidas graças aos experimentos de duas fendas de Thomas Young, onde a interferência construtiva e destrutiva se mostrou dramaticamente. Crédito da imagem: Thomas Young, 1801.
Mas as ondas da água – como era bem conhecido – viajavam por meio da água. Tire a água e não haverá onda! Isso era verdade para todos os fenômenos ondulatórios conhecidos: o som, que é uma compressão e rarefação, também precisa de um meio para se propagar. Se você tirar toda a matéria, não há meio para o som viajar e, portanto, por que eles dizem: No espaço, ninguém pode ouvir você gritar.
No espaço, os sons produzidos na Terra nunca chegarão até você, pois não há meio para o som viajar entre a Terra e você. Crédito da imagem: NASA/Marshall Space Flight Center.
Então, então, o raciocínio foi, se a luz é uma onda - embora, como Maxwell demonstrado na década de 1860 , uma onda eletromagnética - ela também deve ter um meio pelo qual viaja. Embora ninguém pudesse medir esse meio, ele recebeu um nome: o éter luminífero .
Parece uma ideia boba agora, não é? Mas não foi uma má ideia. Na verdade, tinha todas as características de uma grande ideia científica, porque não apenas se baseava na ciência que havia sido estabelecida anteriormente, mas essa ideia fazia novas previsões que eram testáveis! Deixe-me explicar usando uma analogia: a água em um rio em movimento rápido.
O rio Klamath, fluindo através de um vale, é um exemplo de um corpo de água em movimento rápido. Crédito da imagem: Blake, Tupper Ansel, Serviço de Pesca e Vida Selvagem dos EUA.
Imagine que você joga uma pedra em um rio caudaloso e observa as ondas que ela faz. Se você seguir as ondulações da onda em direção às margens, perpendicularmente à direção da corrente, a onda se moverá a uma determinada velocidade.
Mas e se você observar a onda se mover rio acima? Vai se mover mais devagar, porque o meio pelo qual a onda está viajando, a água, está se movendo! E se você observar a onda se mover a jusante, ela se moverá mais rapidamente, novamente porque o meio está se movendo.
Mesmo que o éter luminífero nunca tenha sido detectado ou medido, houve um experimento engenhoso planejado por Albert A. Michelson que aplicaram esse mesmo princípio à luz.
A Terra, movendo-se em sua órbita ao redor do Sol e girando em seu eixo, deve fornecer um movimento extra se houver algum meio pelo qual a luz viaje. Crédito da imagem: Larry McNish, RASC Calgary.
Veja bem, embora não soubéssemos exatamente como o éter estava orientado no espaço, qual era sua direção ou como estava fluindo, ou o que estava em repouso em relação a ele, presumivelmente - como o espaço newtoniano - era absoluto. Existia independentemente da matéria, como deve, considerando que a luz podia viajar onde o som não podia: no vácuo.
Então, em princípio, se você medisse a velocidade com que a luz se movia quando a Terra estava se movendo a montante ou a jusante (ou perpendicularmente à corrente do éter), você poderia não apenas detectar a existência do éter, você poderia determinar o que o resto do quadro do Universo era! Infelizmente, a velocidade da luz é algo como 186.282 milhas por segundo (Michelson sabia que era 186.350 ± 30 milhas por segundo), enquanto a velocidade orbital da Terra é apenas cerca de 18,5 milhas por segundo, algo que nós não estávamos. t bom o suficiente para medir na década de 1880.
Mas Michelson tinha um truque na manga.
O projeto original de um interferômetro de Michelson. Crédito da imagem: Albert Abraham Michelson, 1881.
Em 1881, Michelson desenvolveu e projetou o que hoje é conhecido como interferômetro de Michelson, que foi absolutamente brilhante. O que ele fez foi baseado no fato de que a luz – sendo feita de ondas – interfere em si mesma. E, em particular, se ele pegasse uma onda de luz, dividisse-a em dois componentes perpendiculares um ao outro (e, portanto, movendo-se de maneira diferente em relação ao éter), e fizesse os dois feixes percorrerem distâncias exatamente idênticas e depois refletissem de volta para entre si, ele observaria uma mudança no padrão de interferência gerado por eles!
Veja, se todo o aparato estivesse estacionário em relação ao éter, não haveria mudança no padrão de interferência que eles fizeram, mas se ele se movesse em uma direção mais do que na outra, você obteria uma mudança.
Se você dividir a luz em dois componentes perpendiculares e juntá-los novamente, eles interferirão. Se você se mover em uma direção contra outra, esse padrão de interferência mudará. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Stigmatella aurantiaca.
O projeto original de Michelson foi incapaz de detectar qualquer mudança, mas com um comprimento de braço de apenas 1,2 metros, sua mudança esperada de 0,04 franjas estava um pouco acima do limite do que ele podia detectar, que era de cerca de 0,02 franjas. Também havia alternativas à ideia de que o éter era puramente estacionário – como a ideia de que foi arrastado pela Terra (embora não pudesse ser completamente, por causa de observações de como a aberração estelar funcionava) – então ele realizou o experimento várias vezes ao longo do dia, pois a rotação da Terra teria que ser orientada em diferentes ângulos em relação ao éter.
O resultado nulo foi interessante, mas não completamente convincente. Nos seis anos seguintes, ele projetou um interferômetro 10 vezes maior (e, portanto, dez vezes mais preciso) com Edward Morley, e os dois em 1887 realizaram o que hoje é conhecido como o experimento Michelson-Morley. Eles esperavam uma mudança de franja ao longo do dia de até 0,4 franjas, com uma precisão de até 0,01 franjas.
Graças à internet, aqui estão os resultados originais de 1887!
A falta de uma mudança observada, apesar da sensibilidade necessária e das previsões teóricas, foi uma conquista incrível que levou ao desenvolvimento da física moderna. Crédito da imagem: Michelson, A. A.; Morley, E. (1887). Sobre o Movimento Relativo da Terra e o Éter Luminífero. American Journal of Science 34 (203): 333-345.
Esse resultado nulo - o fato de não haver éter luminífero - foi na verdade um grande avanço para a ciência moderna, pois significava que a luz deveria ser inerentemente diferente de todas as outras ondas que conhecíamos. A resolução veio 18 anos depois, quando surgiu a teoria da relatividade especial de Einstein. E com isso, ganhamos o reconhecimento de que a velocidade da luz era uma constante universal em todos os referenciais, que não havia espaço absoluto ou tempo absoluto e – finalmente – que a luz precisava nada mais do que espaço e tempo para percorrer.
Albert Michelson ganhou o Prêmio Nobel em 1907 por seu trabalho desenvolvendo o interferômetro e os avanços feitos por causa de suas medições. Foi o resultado nulo mais importante da história científica. Crédito da imagem: Fundação Nobel, via nobelprize.org.
O experimento – e o corpo de trabalho de Michelson – foi tão revolucionário que ele se tornou a única pessoa na história a ganhar um Prêmio Nobel por uma não descoberta muito precisa de qualquer coisa. O experimento em si pode ter sido um fracasso completo, mas o que aprendemos com ele foi um benefício maior para a humanidade e nossa compreensão do Universo do que qualquer sucesso teria sido!
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