Motivazioni storiche
Esperimenti di Fizeau e di Michelson-Morley
I fisici del XIX secolo si erano concentrati nella ricerca delle proprietà dell'etere, il mezzo attraverso il quale si pensava si propagassero le onde luminose. Un importante esperimento, il cui pieno significato non fu compreso se non dopo la prima pubblicazione di Einstein, fu eseguito nel 1851 da Fizeau. Lo scopo era quello di stabilire come fosse influenzata la velocità della luce dal movimento del mezzo di propagazione.
Un fascio di luce monocromatica cade su una lastra di vetro semiargentata L1 che riflette metà del fascio, mentre l'altra metà attraversa la lastra ed è riflessa dallo specchio S1. I due fasci attraversano i tubi T1 e T2 e cadono rispettivamente sullo specchio S2 e sulla lastra L2, giungendo per riflessione all'osservatore. Se l'acqua nei due tubi è ferma, i due fasci giungono in fase e si sommano le due intensità. Se invece l'acqua nei due tubi si muove in senso opposto, le onde che attraversano il tubo T2 giungeranno all'osservatore prima di quelle che attraversano T1 e, se la differenza di cammino ottico è di mezza lunghezza d'onda, abbiamo un fenomeno di interferenza distruttiva.
Fizeau giunse al seguente risultato: la velocità della luce nell'acqua in movimento risultò effettivamente diversa da quella in acqua ferma, ma la differenza era minore della velocità dell'acqua. Usando liquidi diversi ricavò una formula empirica generale per la velocità della luce in un fluido in movimento:
essendo n l'indice di rifrazione del fluido in esame e v la velocità dell'acqua. Mezzo secolo più tardi Einstein dimostrò che questa formula è un risultato diretto della teoria della relatività.
Se Fizeau aveva potuto osservare l'effetto di un flusso d'acqua sulla velocità di propagazione della luce in quel mezzo, avrebbe dovuto essere osservabile anche l'effetto del movimento della Terra nello spazio sulla velocità della luce misurata alla superficie terrestre. Infatti la Terra si muove intorno al Sole alla velocità di 30 Km/s : dovrebbe quindi esistere una sorta di vento dovuto all'etere sulla superficie terrestre e probabilmente anche attraverso la massa della Terra.
Michelson e Morley si proposero di misurare il tempo impiegato dalla luce per percorrere un cammino prestabilito in due casi: nel caso in cui essa si propagava nella direzione in cui si prevedeva avvenisse lo spostamento e nel caso in cui la propagazione fosse perpendicolare a tale direzione. Il loro dispositivo sperimentale è mostrato in figura:
Il fascio di luce emesso dalla sorgente veniva fatto incidere su una lastra di vetro L semiargentata, che divideva il fascio in una componente riflessa e una trasmessa. I raggi riflessi dai due specchi S1 e S2 venivano raccolti da un cannocchiale (osservatore), dopo aver percorso le stesse distanze. In assenza di un vento d'etere questi due raggi giungerebbero in fase e darebbero luogo ad interferenza costruttiva. Se, invece, il vento d'etere soffiasse da destra a sinistra, il raggio che si propaga nella direzione opposta giungerebbe al cannocchiale in ritardo rispetto a quello che si propaga nella stessa direzione e si dovrebbe osservare almeno una parziale interferenza distruttiva. Ma i risultati furono negativi. Come mai ? Era possibile che l'etere fosse trascinato completamente dalla Terra nel suo movimento ?
