Każdy, kto kiedykolwiek uczył się fizyki, musiał spotkać  się z „doświadczeniem Michelsona-Morleya” – jednym z najważniejszych w historii tej nauki. Omawiając fizyczne znaczenie tego eksperymentu rzadko wspomina się jego głównego twórcę – Alberta Abrahama Michelsona. Czasem wspomina się, zgodnie z prawdą, że był amerykańskim fizykiem. Najczęściej nie mówi się jednak, że był Żydem, który urodził się w Strzelnie, na pograniczu Wielkopolski i Kujaw.

Albert Abraham Michelson urodził się 19 grudnia 1852 roku w Strzelnie. Ojcem przyszłego fizyka był Samuel Michelson, matką Rozalia – córka Abrahama Przylubskiego.  Rodzice zajmowali się handlem. Gdy Albert miał 2 lata, jego rodzina wyemigrowała do Stanów Zjednoczonych. Początkowo zamieszkali w Nowym Jorku. Później w Virginia City w Newadzie i San Francisko, gdzie rodzina z powodzeniem prowadziła interesy handlowe.

W 1877 roku, gdy Albert był oficerem Marynarki Stanów Zjednoczonych wpadł na pomysł dokonania dokładniejszych pomiarów prędkości światła, korzystając z metody opierającej się na obracających się zwierciadłach, wynalezionych przez Jean Bernarda Léona Foucaulta (1819-1868). W 1878 roku przeprowadził pierwsze pomiary prędkości światła. Zwróciły one uwagę Simona Newcomba (1835-1909), dyrektora Nautical Almanac Office (Biura Almanachu Żeglarskiego), który zajmował się tą samą tematyką. Rok później, po przyłączeniu się do zespołu Newcomba ogłoszono w Waszyngtonie, że prędkość światła wyniosła 299 910±50 km/s. W następnych latach Newcomb przeprowadzał kolejne pomiary.

W wieku 17 lat Albert wstąpił do US Naval Academy (Akademii Morskiej USA) w Annapolis, Wirginia. W 1873 roku ukończył studia. i w latach 1875-1879 był wykładowcą w Akademii Morskiej. W tym okresie zainteresował się możliwością przeprowadzenia dokładnego pomiaru prędkości światła.

    Po dwóch latach studiów w uczelniach europejskich, w 1881 roku, Michelson powrócił  do Stanów Zjednoczonych, gdzie związał się z marynarką. Dwa lata później, w 1883 roku, otrzymał stanowisko profesora fizyki w Case School of Applied Science w Cleveland, Ohio.

    Podczas pracy w Cleveland Michelson stworzył interferometr – przyrząd pomiarowy, którego działanie oparte jest na interferencji (nakładaniu się) dwóch spójnych fal. W przyrządzie powstawały obrazy wzmacniania i wygaszania się fal. Obserwacja powstających obrazów, po dokonaniu niezbędnych obliczeń, umożliwiała dokładne pomiary odległości lub rozmiarów przestrzennych obiektu.

    Jednym z największych osiągnięć fizyki XIX wieku było odkrycie przez Jamesa Clerka Maxwella (1831-1879) praw elektromagnetyzmu. Z równań opisujących te prawa wynikała konieczność istnienia fal elektromagnetycznych. (Światło to też fala elektromagnetyczna). I tu pojawił się istotny problem.

    Wszystkie znane dotychczas rodzaje fal, np. dźwięk, rozchodziły się w ośrodkach sprężystych. Jak więc fale elektromagnetyczne, np. światło, mogło rozchodzić się w próżni wypełniającej Wszechświat? By usunąć tę trudność Maxwell posłużył się starożytną  koncepcją eteru kosmicznego. Jego zdaniem eter był sprężystą substancją, wypełniającą całą objętość Wszechświata. Eter kosmiczny miał pozostawać w spoczynku wobec Wszechświata, wyznaczałby w ten sposób absolutny układ odniesienia.

    Gdyby eter kosmiczny istniał, to z teoretycznego punktu widzenia byłoby możliwe zmierzenie prędkości ruchu Ziemii względem eteru. Taki eksperyment zaplanował już James Clerk Maxwell. Jednak w jego czasach, ze względu na zbyt małą dokładność urządzeń pomiarowych, przeprowadzenie takiego doświadczenia było praktycznie niewykonalne.

    Albert Michelson znał pomysły Maxwella. Zainspirowały go do przeprowadzenia własnego eksperymentu.

    Zgodnie z ówczesnym poziomem fizyki obserwowana prędkość światła powinna być sumą prędkości światła w próżni i prędkości Ziemi względem eteru. Trudność polegała na tym, że nie znano jeszcze wystarczająco dokładnie prędkości światła w próżni. Michelson potrafił ominąć tę trudność. Uznał, że wystarczy mierzyć prędkość światła w różnych kierunkach i te prędkości porównać. Do pomiarów wykorzystał wynaleziony przez siebie interferometr.

    Michelson przeprowadził swój eksperyment w 1881 roku. Jego wynik zaskoczył  eksperymentatora. Wbrew poglądom panującym wtedy w fizyce –  prędkość światła była stała i nie była uzależniona od kierunku.

    Wynik tak głęboko był niezgodny z teorią, że Michelson postanowił  go powtórzyć. Uczynił to wspólnie z Amerykaninem Edwardem Morleyem (1838-1923) w roku 1887. Zwiększono znacznie dokładność pomiarów przez dziesięciokrotne wydłużenie drogi pomiarowej a interferometr pływał w korytach, które wypełniono rtęcią. Również ten pomiar nie wykazał zmian prędkości światła w różnych kierunkach.

    Te same wyniki pojawiały się także w innych doświadczeniach przeprowadzonych na początku XX wieku.

    Eksperyment Michelsona-Morleya okazał się jednym z najważniejszych w historii fizyki. Konieczność wyjaśnienia zaskakujących wyników eksperymentu doprowadziła do dramatycznych zmian w fizyce. Pierwszą  próbę wyjaśnienia niezależności prędkości światła od kierunku podjął holenderski fizyk Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928), który uważał, że rozmiary ciał ulegają skróceniu, gdy poruszają się one względem eteru. Równanie opisujące skrócenie ciała, zwane obecnie transformacją Lorentza, stało się jednym z podstawowych równań szczególnej teorii względności Einsteina (1979-1955).

Właśnie szczególna teoria względności, stworzona przez Żyda, Alberta Einsteina stanowi pełne wyjaśnienie wyników eksperymentu Michelsona-Morleya.

    Później powstałe teorie, takie, jak np. ogólna teoria względności, odkrycie korpuskularno-falowej natury światła, odkrycie fal de Broglia i teoria Kaluzy-Kleina doprowadziły do tego, że pojęcie eteru kosmicznego, jako niepotrzebne, zostało wyeliminowane z fizyki.

    W 1892 roku Michelson został profesorem fizyki w Clark University w Worcester, Massachusetts. Od roku 1889 był Dziekanem Wydziału Fizyki nowego Uniwersytetu w Chicago. Stanowisko to piastował do roku 1929, kiedy przeszedł na emeryturę.

    Rok 1899 przyniósł ważne wydarzenie w życiu osobistym naukowca. Zawarł związek małżeński z Edną Stanton. Z tego małżeństwa narodził się syn i trzy córki.

    W 1906 roku E..B. Rosa i N.E. Dorsey ze National Bureau of Standards (Narodowego Urzędu Norm) przeprowadzili nowy pomiar prędkości światła posługując się nową metodą elektryczną. Wynik ten jednak był kwestionowany, ze względu na niepewność charakterystyk używanych wówczas materiałów elektrycznych.

    W 1907 roku, jako pierwszy obywatel USA, Michelson otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki. Uzyskał ją za konstrukcję precyzyjnych urządzeń optycznych oraz za przeprowadzenie dokładnych pomiarów w dziedzinie metrologii (nauka o pomiarach) i spektroskopii (określanie składu pierwiastkowego na podstawie widma światła).

    Po wielu latach, w 1920 roku, Michelson ponownie zajął się pomiarem prędkości światła. W tym celu mierzył czas przebiegu światła pomiędzy obserwatorium astronomicznym na Mount Wilson (jednego z najważniejszych obserwatoriów ówczesnego świata) a Lookout Mountain, szczytu odległego o 22 mile. Wynik wówczas uzyskany przez Michelsona był podważany, ze względu na występujące podczas pomiaru, dymy pożarów leśnych, które obniżyły ich dokładność.

    Dwa lata później Coast and Geodetic Survey (Służba Wybrzeża i Geodezji) przeprowadziła odrębne pomiary, wykorzystując metodę z wykorzystaniem taśmy stalowej. Wartość otrzymana przez Geodetic Survey również została zanegowana. Przyczyną był błąd (mniejszy od jednej milionowej wartości) spowodowany przez przemieszczenie się punktów odniesienia, podczas trzęsienia ziemi w Santa Barbara 29 czerwca 1925 roku.

    Lata 1920-1921, to czas, gdy Michelson, razem z Francisem G. Peasem (1881-1838) zajmowali się interferometrią astronomiczną. Wykorzystując teleskop obserwatorium na Mount Wilson, dokonali pierwszego pomiaru średnic gwaiazd innych od Słońca, w tym olbrzyma Betelgeuzy w Gwiazdozbiorze Oriona. Odkryli też układy gwiazd podwójnych.

    W latach 1923-1927 Michelson był przewodniczącym Narodowej Akademii Nauki.

    Okres poprzedzający rok 1927 żydowski fizyk wykorzystał na przeprowadzenie kolejnej serii pomiarów prędkości światła. Tym razem posłużył się metodą elektro-optyczną. Wszystkie uzyskane wtedy wyniki pomiarów były nieco niższe, od wcześniej uzyskanych.

    Niepewności spowodowane wynikami wszystkich dotychczasowych pomiarów zaowocowały w 1930 współpracą z Francisem G. Peasem i Fredem Pearsonem (1861-1915). Efektem tej współpracy było stworzenie tuby próżniowej o długości 1,6 km, w której mierzono prędkość światła. Planowano przeprowadzenie 233 serii pomiarów. Michelson nie doczekał końca eksperymentu. Umarł po dokonaniu 36 serii pomiarów. Także wynik uzyskany w pełnej serii pomiarów okazał się wątpliwy. Przyczyną niepewności była niestabilność geologiczna terenu i problemy z kondensacją wewnątrz tuby. Otrzymana wartość prędkości światła była zgodna, z otrzymaną metodą elektro-optyczną i wynosiła    299 774±11 km/s. Rezultat ten opublikowano w 1935 roku, już po śmierci Alberta Michelsona, który zmarł 9 maja 1931 w Pasadenie, Kalifornia.

    Albert Abraham Michelson otrzymał nie tylko Nagrodę Nobla, lecz również  szereg innych prestiżowych nagród. Najważniejsze z nich przyznały mu: Royal Society (Towarzystwo Królewskie), National Academy of Science (Narodowa Akademia Nauki), American Phisical Society (Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne), American Association for the Advancement of Science (Amerykańskie Towarzystwo Rozwoju Nauki). Otrzymał również Nagrodę Rumforda (1888), Medal Matteucciego (1903), Medal Copleya (1907) i Złoty Medal Royal Astronomical Society (1923).

    Jeden z kraterów na Księżycu, nazwano Kraterem Michelsona.

    Jako ciekawostkę, można jeszcze wspomnieć, że Albert Abraham Michelson (grany przez Douglasa Lamberta (1936-1986)), pojawił się w jednym z odcinków, wyświetlanego przed wielu laty, również przez Telewizję Polską, popularnego serialu „Bonanza”. W filmie Ben Carwright (Lorne Greene (1915-1987)) pomagał Michelsonowi dostać się do US Naval Academy. Zdarzenie takie być może rzeczywiście miało miejsce, bo Ranczo Ponderosa, gdzie rozgrywała się akcja serialu znajdowało się w pobliżu Virginia City, miejsca zamieszkania Michelsona. 

    Opracowanie: Wojciech Meixner