martedì 19 gennaio 2016

L'Esperimento di Michelson e Morley

Ciao a tutti amanti della fisica!
 In questo articolo ci occupiamo di uno degli esperimenti più importanti mai realizzati, uno di quelli che lasciano il segno e che non sono spiegabili dalla teoria in vigore all'epoca. Si tratta dell'Esperimento di Michelson e Morley, che diende un tremendo scossone alla Fisica Classica e spianò la strada alla Teoria della Relatività. Ma che cosa mostrò quest'esperimento? Perché non si accordava con la fisica del tempo? In che modo poteva invece essere spiegato?





Le teorie prima dell'Esperimento di Michelson e Morley

 Prima di parlare dell'esperimento vero e proprio è bene riassumere quali erano le convinzioni dei fisici nella seconda metà del XIX secolo. Ci ritroviamo ancora una volta a parlare di onde elettromagnetiche: luce, in sostanza.

Le Equazioni di Maxwell, che descrivono i campi elettromagnetici
 Fu lo stesso Maxwell a intuire che le perturbazioni del campo elettromagnetico (e quindi la luce) dovevano propagarsi sotto forma di onde a velocità finita. In effetti, questo risultato è estrapolabile dalle celebri equazioni che portano il suo nome. Quello che non era chiaro era in che mezzo si propagassero queste onde. Ma facciamo un passo indietro...

 Forse ragionare in termini di onde elettromagnetiche può non risultare troppo chiaro all'inizio, quindi cerchiamo di sfruttare un'analogia per rendere il tutto più vicino alla nostra esperienza quotidiana. 
Immaginiamo di essere sulla sponda di un laghetto e di lanciare un sasso al centro di esso. Dal punto in cui la roccia ha impattato sull'acqua cominceranno a propagarsi delle onde circolari, che si propagano sulla superficie dello specchio d'acqua a velocità finita in tutte le direzioni.

 Possiamo, senza incorrere in gravi errori, immaginare che un campo elettromagnetico sia la superficie del laghetto, e che delle onde possano propagarsi in esso a seguito di una perturbazione. Concretamente questo si può realizzare semplicemente muovendo una carica elettrica o una calamita. La differenza sostanziale tra i due casi è che, mentre le perturbazioni della superficie del laghetto si propagano sulla superficie stessa, non è chiaro in che mezzo si propaghino le onde elettromagnetiche.

L'Etere

 Al mezzo in cui si propagava la radiazione elettromagnetica si diede il nome di etere, il punto è che nessuno aveva idea di cosa fosse! Doveva trattarsi di una sostanza trasparente, praticamente intangibile e diffusa in tutto l'Universo. Per quel che ci riguarda possiamo tranquillamente immaginare l'etere come qualcosa di simile all'acqua in un acquario: trasparente e in grado di occupare tutto lo spazio disponibile. La differenza è che noi non ci accorgiamo di essere immersi in un mare di etere.

 Questo però non è necessariamente un problema. D'altronde sappiamo di essere circondati dall'atmosfera, ma non capita spesso di averne prove dirette. Inoltre, nell'aria possono propagarsi onde sonore, quindi nulla esclude che anche l'etere abbia un comportamento simile. Si tratta solo di trovare qualcosa che ne dimostri l'esistenza! Inizialmente, fu proprio questo l'obiettivo dell'Esperimento di Michelson e Morley.

 Prima di procedere con l'esperimento vero e proprio è bene considerare un caso particolare. Immaginiamo di trovarci su una minuscola barchetta sulla superficie del laghetto di cui abbiamo parlato prima, e di stare fermi in prossimità del punto d'impatto del sasso. Saremo allora investiti da un certo numero di onde al secondo, diciamo ad esempio 5 onde al secondo. Se cominciamo a navigare abbastanza velocemente verso il punto d'impatto verremo presto investiti da un maggior numero di onde al secondo, diciamo 6. Se invece veleggiamo verso riva saremo investiti da meno onde ogni secondo. Abbiamo già affrontato un ragionamento simile qui

 Un esempio simile si può ripetere anche con l'altra analogia che stiamo sfruttando: l'aria. Immaginiamo di tornare a riva e metterci a giocare a ping pong sulla spiaggia. Purtroppo tira un po' di vento, e ogni nostro tiro viene smorzato. Insomma, ogni volta che spediamo la palla verso l'avversario questa viene trasportata dall'aria, che la rallenta. Quando invece viene colpita dall'altro giocatore viene accelerata.

 Ci si aspettava che la luce si comportasse allo stesso modo: se ci stiamo muovendo nell'etere e proiettiamo un raggio luminoso davanti a noi ci aspettiamo che questo si propaghi più lentamente di quanto non farebbe se lo proiettassimo stando fermi. Similmente se stiamo proiettando un raggio di luce, ad esempio con una torcia, e cominciamo a camminare all'indietro ci sembrerà che questo si propaghi più velocemente della norma.

 Ebbene, questa è l'essenza dell'Esperimento di Michelson e Morley. Il problema stava nell'estrema difficoltà che si incontrava cercando di misurare la velocità della luce nei vari casi.


L'esperimento di Michelson e Morley

 Nel 1881, Albert Abraham Michelson progettò un apparato destinato a rivelare delle variazioni nella velocità della luce. Qui sotto ne è riportato uno schema:

Vediamo punto per punto il suo funzionamento:
  1. Un laser viene proiettato su uno specchio semiriflettente.
  2. La funzione dello specchio semiriflettente è sostanzialmente quella di scomporre il raggio laser in due componenti perpendicolari. In sostanza, parte del laser attraversa lo specchio e prosegue per la sua strada, un'altra parte invece viene riflessa. Se lo specchio è posto a 45 gradi rispetto al laser incidente si ottiene l'effetto voluto.
  3. Entrambe le componenti del raggio luminoso percorrono una certa distanza *(Nella figura ciò non è ben evidenziato, ma è importante notare che le distanze percorse dalle due componenti non sono necessariamente uguali!) e rimbalzano su uno specchio, in modo da far ritorno allo specchio semiriflettente.
  4. Lo specchio semiriflettente scompone a loro volta le due componenti, ma a noi interessa solamente la frazione dei due raggi che si dirige verso il basso (vedere figura).
  5. I due fasci, ora paralleli, incidono su uno schermo sul quale è collocato un rivelatore.
Sulla superficie del rivelatore è possibile visualizzare la figura di interferenza dei due raggi. Non dimentichiamoci infatti che i laser non sono altro che onde elettromagnetiche, che sono ovviamente onde, e pertanto interferiscono se sono sovrapposte.

 Abbiamo già incontrato lo stesso fenomeno in Fisica Quantistica a proposito dell'Esperimento dei Fori di Young. Quello che importa è che se, per qualche motivo, la velocità dei due laser cambiasse allora varierebbe anche la figura di interferenza. La funzione del rivelatore è proprio quella di rivelare delle variazioni nella figura di interferenza, motivo per cui l'intero apparato viene chiamato Interferometro di Michelson.
La figura di interferenza appare grossomodo così
 L'idea di Michelson era questa:


"La Terra si muove nello spazio; possiamo quindi supporre che sia in moto nell'etere. Posizioniamo l'interferometro in modo che uno dei due raggi in cui viene scomposto il laser punti nella direzione in cui si sta muovendo la Terra, e registriamo la figura di interferenza osservata. In questa condizione, il laser parallelo alla direzione del moto del pianeta si propagherà più lentamente dell'altro nell'etere. Ruotiamo quindi l'apparato di 90 gradi, in modo che sia ora l'altro raggio a propagarsi nella stessa direzione del moto della Terra. In questa seconda configurazione il ruolo dei due raggi è invertito: quello che prima si propagava più velocemente si propaga ora più lentamente, e quello che prima era più lento ora è più rapido."

  Dopo aver ruotato l'apparato è possibile registrare nuovamente la figura di interferenza. Se questa è effettivamente diversa da quella di prima allora abbiamo registrato una variazione nella velocità di propagazione della luce. In altre parole, avremmo così dimostrato l'esistenza dell'etere!

Edward Morley
 Il problema era che Michelson non disponeva dell'apparecchiatura necessaria a raggiungere la sensibilità richiesta per la misura, e non riuscì a concludere granché.

 La possibilità di dimostrare l'esistenza dell'etere, e quindi di mettere le mani su un bel Premio Nobel, gli si ripresentò sei anni più tardi. Un collega statunitense, Edward Morley, offrì la strumentazione necessaria a una misura più precisa (oltre a mettere a disposizione il suo seminterrato per l'esperimento!).

 Non ci volle molto per realizzare nuovamente l'apparato ed effettuare la misura. Questa volta la sensibilità dell'interferometro era più che sufficiente, tutto sembrava promettere un successo e Michelson e Morley non stavano più nella pelle... ...ma qualcosa ancora non andò per il verso giusto:

Non si registrava nessuna variazione nella figura di interferenza
  
 Anni di lavoro buttati al vento? Nient'affatto. Per quasi due decenni i fisici continuarono a cercare di spiegare l'esito dell'esperimento. Un tentativo degno di nota fu quello del fisico olandese Hendrik Lorentz, il quale merita almeno un post tutto suo. Tuttavia il risultato poteva essere spiegato in maniera assolutamente semplice, ma ci volle il genio di Albert Einstein per scoprirlo:

L'etere non esisteva

 Ecco perché l'Esperimento di Michelson e Morley non aveva prodotto i risultati previsti. La velocità di propagazione dei due raggi non variava ruotando l'interferometro perché le onde elettromagnetiche si propagano con la stessa velocità in tutti i sistemi di riferimento!
Conclusioni

 Tutta questa storia ebbe un finale agrodolce per Michelson: la sua idea si era rivelata sbagliata, e in effetti l'Esperimento di Michelson e Morley era "fallito". Tuttavia questo fornì un'importantissima base sperimentale su cui Einstein costruì la Teoria della Relatività Ristretta meno di vent'anni più tardi. Ad ogni modo, a Michelson fu riconosciuta la genialità del suo interferometro e fu almeno insignito del Premio Nobel per la Fisica un anno prima che Einstein spiegasse quanto profonde erano le conseguenze dell'esperimento. Michelson visse abbastanza da comprendere l'importanza del suo contributo allo sviluppo della fisica moderna. A volte anche i fallimenti portano a risultati insperati!
Grazie per aver letto fin qui,

Giulio




Immagini tratte da:
http://www.ilsussidiario.net/News/Emmeciquadro/2012/3/28/SCIENZ-SCUOLA-L-esperimento-di-Michelson-e-Morley/263973/
http://blog.libero.it/AstroLeo/view.php?id=AstroLeo&pag=12&gg=0&mm=0
www.petsparadise.it
theutahprogressive.wordpress.com
http://www.vittorininet.it/supporto/tesine/Coronato/fisica/relat1b.htm
http://www.fisicachimica.it/ottica%20fisica.htm
https://micro.magnet.fsu.edu/optics/timeline/people/michelson.html
https://www.aps.org/publications/apsnews/200711/physicshistory.cfm 
 

1 commento:

  1. Non sono d'accordo con quanto detto in "L'Esperimento di Michelson e Morley", specialmente per quanto riguada l'etere. Mi limito solo a riportare alcune righe tratte dal libro di Marco De Paoli "La relatività e la falsa cosmologia":

    Einstein, che pur nella teoria della relatività ristretta aveva fatto sparire l'etere dalla scienza dopo le risultanze degli esperimenti di Michelson e Morley in quanto inosservabile, dovette in un certo modo reintrodurlo nella forma di etere dinamico nel 1917 dopo aver esposto con la teoria della relatività generale la sua nuova teoria della gravitazione. Nel 1919 egli scrisse a Lorentz: "sarebbe stato più corretto se nelle mie prime pubblicazioni mi fossi limitato a sottolineare l'irrealtà della velocità dell'etere, invece di sostenere soprattutto la sua non esistenza. Ora comprendo che con la parola etere non si intende altro che la necessità di rappresentare lo spazio come portatore di proprietà fisiche". Così nel 1920, in una conferenza all'Università di Leida, poi pubblicata col titolo 'Aeter und Relativitatstheorie', egli disse: "una più ponderata riflessione ci suggerisce che la negazione dell'etere non è necessariamente richiesta dal principio di relatività ristretta. L'esistenza dell'etere può essere ammessa, purchè si rinunci ad attribuirgli un determinato stato di moto"; "Secondo la teoria della relatività lo spazio è dotato di proprietà fisiche: in questo senso, allora, un etere esiste. Secondo la teoria generale della relatività uno spazio senza etere è inconcepibile".
    Mentre la teoria della relatività veniva sempre più accettata nella comunità scientifica, il solo Einstein ne vedeva le crepe: per questo faceva ogni sforzo per salvare la sua teoria. E per questo il fallimento del suo pluridecennale e ostinato tentativo di trovare una teoria del campo unificato, che sempre più lo isolò dal mondo scientifico che non lo capiva e reputava che la sua fosse solo una stranezza senile, lo amareggiò e infine perfino lo condusse a dubitare della sua teoria. Infine, nel suo ultimo testo scientifico, scritto dodici giorni prima della morte quale prefazione all'opera 'Cinquant'anni di relatività', Einstein scriveva: "siamo molto lontani dal possedere una base concettuale della fisica alla quale poterci in qualche modo affidare".

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