O Experimento Michelson Morley

Universidade Federal do Estado do Rio de Janeiro

Bacharelado em Ciencias Biológicas

Introdução à Cosmologia

O experimento Michelson-Morley

Até o final do século XVIII, a maioria dos físicos aceitava a teoria corpuscular da luz. A teoria óptica de Newton propunha que a luz fosse composta de pequenos corpúsculos e tentava, desse modo, explicar sua propagação em linha reta (SANTOS, 2002). A teoria ondulatória era uma curiosidade. Embora houvessem defensores da teoria ondulatória, a teoria corpuscular parecia ocupar um lugar preponderante nas explicações dos fenômenos ópticos.

Nas duas primeiras décadas do século XIX, o estudo de diversos fenômenos foi reforçando rapidamente a idéia de que a luz seria uma onda, mudando a perspectiva principal vigente. Isso foi finalmente decidido por Leon Foucault, 1850, que mediu através de experimentos terrestres a velocidade da luz no ar e na água a favor da teoria ondulatória(MARTINS). Sendo a luz onda, é provável a necessidade de um meio para que ela pudesse se propagar, “uma vez que todas as ondas mecânicas se propagam através de um meio material” (PINA NETO, 2013). Assim, tinha-se como existente um meio de propagação para a luz. Denominado “éter luminífero” ou apenas “éter”, esse meio preenchia todo o espaço no universo, envolveria tudo, e seria o que permitia a propagação da onda de luz visível. Imaginava-se que o éter era muito leve e de difícil detecção - provavelmente também invisível - já que a luz se propaga muito rapidamente. Além disso a velocidade da luz no éter deveria ser igual ao valor previsto pela teoria eletromagnética. (PINA NETO, 2013). Teorias sobre o éter eram até então, bem estruturadas teoricamente, e bem fundamentadas. Dois principais campos da física estavam sendo desenvolvidos embasados a respeito do conceito de éter: o eletromagnetismo e óptica, unificados por James Clerk Maxwell. A história de ambas as disciplinas nesse período são fundamentais para a compreensão do surgimento da teoria da relatividade.

De acordo com a mecânica newtoniana - i.e, mecânica clássica - considerada Verdade na época, todo movimento necessita de um referencial, um observador, um sistema de coordenadas. Assim, o éter representava a possibilidade concreta de um referencial absoluto para qualquer observação.

A hipótese da aberração das estrelas de James Bradley foi criada, por exemplo, ao propor em 1725 que a Terra não arrasta o éter. Isso pois para se observar uma estrela com um telescópio é necessário incliná-lo num ângulo de 20 segundos, devido ao movimento da Terra, proporcionando a diferença entre o lugar “real” e o “aparente” da estrela. Isso acontece pelo éter ser estacionário em relação ao movimento da Terra. Se a Terra se movesse com velocidade constante, esse efeito nunca poderia ser observado, pois sabemos apenas a posição aparente das estrelas. Desse modo, o efeito de aberração é mensurável porque a velocidade da Terra varia. Comparando-se as posições de uma mesma estrela em diferentes meses, percebia-se a diferença de posição da própria Terra. As medidas e a interpretação de Bradley foram aceitas rapidamente. Embora não fosse explícito, o argumento utilizado por Bradley supunha que a luz se comportava como um conjunto de partículas.

Algumas décadas depois, em 1809, François Arago procurou observar um efeito do movimento da Terra sobre a luz visível. Ele decidiu testar se a refração dos raios luminosos oriundos de uma estrela seriam refratados diferentemente daqueles emitidos por uma fonte fixa na Terra. Para isso, mediu a deflexão que a luz das estrelas sofria ao passar por um prisma. Dentre os pressupostos acreditados na época, Arago considerava que a velocidade da luz dentro de um prisma de vidro seria sempre a mesma, independentemente do movimento da Terra. Fora do prisma, a velocidade da luz seria maior se a Terra estivesse se aproximando de uma estrela, e por conseguinte, menor ao se afastar de uma estrela (MARTINS). O desvio da luz ao penetrar em um meio transparente depende da variação de velocidade que ela sofre ao passar de um meio para outro. Com isso, Arago imaginou que o desvio da luz pelo prisma poderia depender também do movimento da Terra em relação às estrelas. A afirmação da hipótese permitiria medir a velocidade da Terra em relação às estrelas, no entanto, não teve resultados esperados.

O experimento de Arago pressupunha a validade da teoria de Newton (corpuscular) para a luz. Alguns anos mais tarde, na França o trabalho de Fresnel defendendo a teoria ondulatória teve grande impacto. Arago então consultou Fresnel a respeito do seu experimento anterior, perguntando-lhe sobre a possibilidade do efeito nulo obtido, com a teoria ondulatória. (MARTINS) Uma resposta positiva sob a forma de uma carta dirigida a Arago foi publicada em 1818 na revista Annales de Chimie et de Physique por Fresnel (MARTINS). ele desenvolveu uma teoria detalhada da relação entre os corpos transparentes e o éter luminífero, lançando as bases para uma óptica dos corpos em movimento. (MARTINS).

Fresnel supôs que: “o éter preenche todos os espaços aparentemente vazios do universo, e que nessas regiões ele está em repouso. Ele geralmente não seria movido pelos corpos que se deslocam através dele, como a Terra.” (MARTINS) Em regiões sem matéria, a luz se propagaria como ondas nesse éter parado. No entanto, seria necessária algum tipo de interação entre o éter e os corpos transparentes. Isso pois sendo a luz uma onda do éter, e a velocidade da luz é menor dentro dos corpos transparentes (como admitido pela teoria ondulatória), o éter dentro dos corpos transparentes não pode ter as mesmas propriedades que possui fora deles. (MARTINS). Análoga ao som, a velocidade da luz no éter deveria depender da pressão e densidade do meio. A luz seria mais lenta nas regiões de menor pressão ou maior densidade. Dessa forma, ele supôs que variação seria da densidade do éter, mais denso nos corpos transparentes. Uma fração do éter seria transportada pelo vidro quando ele se deslocasse pelo éter, resultando num fator k=(1–1/n²), chamado de coeficiente de arrastamento do éter (MARTINS). Assim, analisou o que aconteceria com a velocidade da luz ao se propagar dentro de um meio transparente em movimento com velocidade em relação ao éter. “Se o meio transparente está em repouso, a velocidade é simplesmente v’=c/n. Mas o que ocorre quando o objeto transparente se move?”(MARTINS) Se o éter fosse totalmente arrastado pelo corpo transparente, uma soma de velocidades daria essa velocidade resultante. Só que o objeto transparente não arrasta totalmente o éter.