L’esperienza chiave che permise ad Einstein di formulare la teoria della relatività ristretta fu quella effettuata da Michelson e Morley nel 1887.

Il principio illustrato si chiama interferometro (perché come vedremo si basa sull’interferenza tra due fasci di luce) e prova che la velocità della luce nel vuoto è indipendente dalla velocità dell’osservatore o da quella della sorgente.

Esperienze con interferometri sono usate ancora oggi in vari settori della ricerca fisica; in particolare interferometri molto potenti possono essere usati per misurare distanze cortissime o brevi intervalli di tempo.

 

L’interferometro di Michelson si compone di una sorgente di luce, attualmente si usa di preferenza un laser, ma all’epoca i mezzi erano più modesti, che viene mandata a collidere con uno specchi semi-riflettente, inclinato di 45° rispetto alla direzione del raggio.

Lo specchio semi-riflettente ha la proprietà di scomporre il fascio di luce in due parti, una riflessa e una trasmessa.

 

Lo specchio riflette i raggi di luce che ritornano allo specchio semi-riflettente e sono quindi deviati verso un rilevatore (percorso giallo verso il basso)[1]..

 

Nel rilevatore i due fasci di luce possono fare interferenza, l’onda di cui si compongono può sommarsi o distruggersi a seconda del modo in cui si incontrano.

È chiaro che se i percorsi sono stati esattamente gli stessi le due onde saranno perfettemente in fase, mentre se esiste una minima differenza di percorso (piccola, ma dell’ordine della lunghezza d’onda della luce), le due onde saranno fuori fase. Sarà possibile calcolare lo sfasamento grazie alla figura di interferenza, e quindi calcolare la differenza di cammino percorso.

 

L’idea di Michelson era di misurare la velocità della luce rispetto al moto della terra.

 

Supponiamo di non conoscere la relatività e di credere che la velocità della luce si comporti come quella di un’automobile. Se disponiamo l’interferometro nel senso della rotazione del pianeta terra, avremo che la luce lungo la direzione verde si sposta ad una velocità V+c, la somma della velocità della luce e della velocità del pianeta.

Al ritorno, in modo analogo, la velocità della luce sarà V-c, dato che questa volta la luce viaggia in direzione contraria al moto del pianeta.

Il raggio di luce in blu, perpendicolare al moto del pianeta, avrà invece velocità costante c, senza influenze di sorta.

Se disponiamo gli specchi ad un metro di distanza dallo specchio semi-riflettente, avremo che il tempo necessario alla luce per percorrere la distanza in blu (andata e ritorno) è t = 2/c.

Invece il tempo necessario a percorrere la direzione verde all’andata sarà t = 1/(V+c) e al ritorno t = 1/(c-V). Andata e ritorno saranno quindi t = 2 c / (c²-V²). La conclusione è che i due tragitti saranno percorsi in due tempi diversi.

 

Se questo ragionamento si basa su ipotesi corrette, dovrei quindi osservare una figura di interferenza.

 

In modo abbastanza sorprendente, questo non avviene; la luce si comporta come se il tempo di percorso fosse identico nelle due direzioni, come se la terra non si muovesse affatto, o come se il suo moto non avesse alcuna influenza sulla velocità della luce.

 

L’interpretazione di questo fenomeno porterà alla scoperta della relatività.

 

---