Esperimento di Michelson-Morley: l'estate del 1887 che eliminò l'etere

Nell'estate del 1887, nello scantinato umido di un edificio della Western Reserve University di Cleveland, Ohio, due uomini facevano ruotare lentamente una piattaforma di arenaria di 1,5 metri di lato che galleggiava su un bagno di mercurio. Sopra la pietra, un sistema di specchi e raggi di luce: l'interferometro più preciso mai costruito. Lo scopo era misurare la differenza di velocità di due raggi di luce inviati in direzioni perpendicolari, per intercettare il "vento" dell'etere — quel mezzo etereo che, secondo la fisica del XIX secolo, riempiva l'universo e faceva da supporto alla propagazione della luce.

Albert A. Michelson ed Edward W. Morley non trovarono nulla. La loro "non-misura", pubblicata nel novembre 1887 sull'American Journal of Science, è considerata l'esperimento più famoso fallito della storia della fisica e, paradossalmente, uno dei più decisivi.

Perché serviva un etere

Per tutto l'Ottocento la luce era considerata un'onda. Le onde, però, hanno bisogno di un mezzo per propagarsi: il suono viaggia nell'aria, le onde marine nell'acqua. Doveva quindi esistere qualcosa che riempisse anche il vuoto interstellare — un fluido tenue, sottilissimo, immobile rispetto allo spazio assoluto. Lo chiamarono etere luminifero. La Terra, muovendosi a circa 30 km/s lungo l'orbita solare, avrebbe dovuto attraversarlo come una barca attraversa l'acqua, generando un "vento d'etere" rilevabile.

Già nel 1881, a Potsdam, Michelson aveva costruito un primo interferometro per misurare l'effetto. Il risultato era stato negativo, ma la sensibilità dello strumento non era abbastanza alta da rendere il risultato decisivo. Servivano dieci volte più precisione. A quel punto entrò in scena Edward Morley, chimico della stessa città di Cleveland, che progettò un dispositivo con bracci di 11 metri ripiegati avanti e indietro tra specchi multipli.

L'ingegnoso galleggiante di mercurio

Il problema era la stabilità: anche la vibrazione di una carrozza in lontananza poteva alterare la misura. La soluzione fu spettacolare. La piattaforma di arenaria che reggeva l'apparato fu posta su un anello di legno galleggiante su una vasca anulare di mercurio liquido, in modo da poterla ruotare lentissimamente senza scossoni. Una volta in moto, l'intero sistema fluttuava in equilibrio quasi perfetto.

Le osservazioni si svolsero in quattro sessioni tra l'8 e il 12 luglio 1887, in diverse ore del giorno e della notte, per cogliere il moto orbitale della Terra in tutte le direzioni rispetto all'etere ipotizzato. La sensibilità dello strumento permetteva di rilevare uno spostamento delle frange di interferenza pari a circa il 4% di un periodo, dieci volte la deviazione attesa.

Il risultato e lo sgomento

Lo spostamento misurato fu inferiore a 1/40 di quello previsto. Praticamente nullo. Come scrissero Michelson e Morley nel paper originale: "il risultato dell'ipotesi di un etere stazionario è dunque incompatibile con i fatti dell'esperimento". Era una bomba.

I primi tentativi di salvare la teoria furono eroici. George FitzGerald (1889) e Hendrik Lorentz (1892) proposero, indipendentemente, che gli oggetti si contraggono nella direzione del moto attraverso l'etere — quella che oggi chiamiamo contrazione di Lorentz-FitzGerald. Era un ritocco artificiale che funzionava matematicamente ma non aveva giustificazione fisica.

Einstein, 1905

La vera soluzione arrivò 18 anni dopo. Nel suo articolo del giugno 1905 "Zur Elektrodynamik bewegter Körper", pubblicato sugli Annalen der Physik, Albert Einstein liquidò il problema in due postulati: le leggi della fisica sono le stesse in tutti i sistemi di riferimento inerziali, e la velocità della luce nel vuoto è la stessa per tutti gli osservatori. Punto. L'etere semplicemente non serviva. Da queste due assunzioni discendono dilatazione del tempo, contrazione delle lunghezze, l'equivalenza massa-energia e tutto il resto della relatività ristretta.

Curiosamente, Einstein in quel paper non cita esplicitamente Michelson e Morley, e in interviste successive minimizzò il ruolo del loro esperimento nella propria genesi teorica. Gli storici della scienza dibattono ancora oggi quanto la "non-misura" del 1887 abbia davvero influenzato il giovane impiegato dell'ufficio brevetti di Berna.

Il Nobel a Michelson e l'eredità

Nel 1907 Albert Michelson ricevette il Premio Nobel per la Fisica — il primo statunitense a ottenerlo — "per i suoi strumenti ottici di precisione e le indagini spettroscopiche e metrologiche condotte con il loro aiuto". Morley non lo ricevette mai. Dei due, però, fu lui a finire prima sul comodino degli studenti di fisica di tutto il mondo: l'interferometro Michelson-Morley è ancora il setup di riferimento per ogni misura di alta precisione, dagli orologi atomici alle onde gravitazionali rilevate da LIGO, che nel 2015 annunciò la prima osservazione diretta delle onde gravitazionali usando interferometri lunghi 4 km — discendenti diretti, in linea ottica, della pietra di mercurio di Cleveland.

L'edificio originale della Case Western Reserve University fu demolito negli anni Sessanta, ma una targa nel campus di University Circle ricorda ancora oggi il punto esatto dove, in tre giorni d'estate, due fisici tolsero alla luce il suo immaginario letto e regalarono all'umanità un universo senza riferimenti assoluti.