تجربة ميكلسون ومورلي

تصغير| تجربة ميشلسون ومورلي مثبت على لوح حجري يطفو في حوض حلقي من الزئبق.
thumb|left| 340px|إذا اعتبرنا أن الضوء يتحرك عن طريق وسط "الأثير" فلا بد من أن إمكانية قياس فرق سرعة الضوء في اتجاهين متضادين بسبب حركة الأرض في الأثير.

تجربة ميكلسون ومورلي هي واحدة من أهم التجارب في حقل الفيزياء قام بها ألبرت مايكلسون وإدوارد مورلي، وتعتبر من أولى الأدلة القوية المعارضة لنظرية الأثير.

في عام 1886 بدأ ميكلسون ومورلي بتجاربه عن انتشار الضوء وسرعته في الفضاء. وكان يعتقد أنه يستطيع تعيين هذه السرعة عن طريق تعيين سرعة الأرض في الأثير أثناء دورانها حول الشمس. وكان اعتقاد العلماء أن "'الأثير" هو الوسط الذي يملأ الفراغ، أي موجود في كل مكان، مثل الهواء الذي يحيط بنا، بخلاف أن الأثير يجب أن يوجد في كل الكون ليبرر حركة الضوء في الفضاء.

وكانت نظرية ماكسويل الكهرومغناطيسية قد أثبت أن الضوء ينتشر في الفراغ على صورة موجات؛ فهي إذن تحتاج إلى وسط يحملها، افترض أنه الأثير الحامل للضوء. وكان المثل في ذلك هو مثال الصوت الذي يحتاج إلى مادة مثل الهواء أو الماء للانتشار فيه.

فكر ميكلسون بأن يثبت وجود الأثير بمقارنة سرعة الضوء المتحرك في اتجاه حركة الأرض بسرعته في اتجاه متعامد مع حركة الأرض. وعندئذ لن يبرهن الفرق بين السرعتين فحسب، بل إنه سيحدد فعليًّا سرعة الأرض في مدارها حول الشمس، باعتبار أن الأثير هو الإطار المرجعي المطلق في الكون - أي يشكل حالة السكون المطلقة.

وقد بنيت هذه التجربة على أساس نظري هو أنه إذا وجد الأثير فإن حركة الأرض فيه تولد تيارًا أثيريًّا معاكسًا لسرعة الأرض مثلما تولد المركبة تيارًا هوائيًّا يجري معاكسًا لحركتها؛ فحين تقاس سرعة الضوء على الأرض فإن تأثرها بتيار الأثير يتوقف على حركة الضوء هل هي موازية لحركة الأرض أو معاكسة أم هي متعامدة مع التيار.

تشبه هذه التجربة بسباحين اثنين يسبحان في نهر واحد؛ وفي حين يسبح أحدهما مع النهر ذهابًا وإيابًا، فإن الآخر يبدأ من نفس النقطة الأولى ويسبح في عرض النهر ذهابًا وإيابًا ويقطع نفس المسافة التي يقطعها الأول يقطعها هو وفي نفس الوقت ويتضح من قانون جمع السرعات انه لا يمكن أن يعود السابحان في نفس الوقت لان السابح العرضي يصل أولاً؛ وهذا هو الأمر بالنسبة للضوء أيضًا.

تم إعداد جهاز يقوم على فصل شعاع ضوئي قادم من مصدر واحد، وتوجيهه في اتجاهين متعامدين على أن يكون أحدهما موازياً لمحور دوران الأرض حول الشمس والآخر متعامداً معه. وبهذا الشكل فإن أحد الشعاعين سيستفيد بقدر ما من حركة الأرض فيصير أسرع، أما الثاني فهو متعامد مع حركة الأرض وبالتالي يفترض أن سرعته لن تتغير. بعد ذلك سيعاد دمج الشعاعين مع بعض ويتم إسقاطهما على سطح مقابل، فإذا ما حصل أي تغيير في سرعة أي من الشعاعين فسيؤثر ذلك على شكل الارتسام الخاص بهما على السطح المقابل، ورغم حساسية هذا الجهاز العالية جدا إلا أنه لم يسجل أي فرق بين سرعتي الشعاعين.

كانت هذه خيبة أمل لهما إذ بدا وكأن التجربة فشلت أو ضمت خللاً ما، وأهمل ميكلسون هذه التجربة. لكن ويبدو أنه بعد التحقق من سلامة بناء الجهاز ومعاودة التجربة عدة مرات على يد مختلف العلماء، خرجوا بنتيجة مفادها، بأن سرعة الضوء ثابتة بغض النظر عن سرعة المنبع أو أي سرعة مضافة، ولا علاقة لها بسرعة المراقب، فهي ثابتة في كل الأحوال.

قام الفيزيائي هندريك أنتون لورنتس بإجراء محاولة لتفسير هذه النتيجة أو اللا نتيجة ضمن إطار الفيزياء التقليدية. وقدم تحليلا رائعا جدا ولكنه معقد (وليس صحيحاً)، وأهم ما في تحاليله هو أن الإلكترون الكروي يتفلطح عندما يتحرك نوعا ما في اتجاه حركته بسبب خواص حركته الكهربائية وأنه كلما أسرع كلما زاد تفلطحه. فكر لورتنز بأن المادة لكونها مؤلفه من إلكترونات تتفلطح إلى حد ما على طول حط حركتها. استخدم هذا التفسير في تفسير تجربة ميكلسون ومورلي وأعلن أن الضوء الموازي لحركة الأرض نحو المرآة ذهابا وغيابا يتقلص في خط حركته بقدر يساوي بالتحديد الكمية الصحيحة اللازمة لإبطال التأخير الناتج عن تيار الأثير، ويعرف هذا الأثر باسم فتزجيرالد- لورنتز في التقلص ولم ُتأخذ هذه الفرضية مأخذ الجد وبقيت كذلك إلى أن فسرها ألبرت أينشتاين عندما أعلن عن ظهور النسبية الخاصة.