Relativitetsteori

Michelson och Morley genomförde dessa försök genom att anta att ljuset fortplantar sig genom etern. Jorden rör sig genom etern, och det borde då uppstå en etervind på jorden. Om man mäter ljusets hastighet i vindriktningen och vinkelrätt mot vindriktningen borde man kunna påvisa en skillnad i de två fallen. Galileitransformationerna ger ju att hastigheten borde ändras från \displaystyle c till \displaystyle c'=c-v för en observatör som rör sig mot etervinden med hastigheten \displaystyle v. Jordens hastighet i sin bana runt solen är \displaystyle 30 km/s, vilket är avsevärt större hastighet än man kunde åstadkomma med andra metoder. Resultatet av experimentet, som sedan förfinats åtskilliga gånger ända in i vår tid, är att etervindens hastighet, dvs jordens hastighet genom etern, är mindre än \displaystyle 5 cm/s. Vi kan alltså inte påvisa någon etervind inom mätosäkerheten och därmed ingen eter.

Schematisk bild av Michelson och Morleys experiment för att mäta etervinden. Om etervinden först rör sig i riktning AS och man därefter vrider apparaten så att etervinden går längs riktningen BS, bör man se en förskjutning i interferensmönstret melland de två strålar som kommer från A respektive B till ögat. Ljuset går ju olika fort fram och tillbaks längs AS och BS i de två fallen. Ingen sådan fasförskjutning kunde emellertid uppmätas. Med hänsyn till mätnoggrannheten var etervinden i det aktuella fallet i alla fall mindre än 5 km/s. Senare mätningar med hjälp av Mössbauereffekten ger att etervindens hastighet är mindre än ca 5 cm/s.

Vid 1800-talets slut blev det alltmer tydligt att den Newtonska mekaniken med dess Galileiinvarians inte gick ihop med Maxwells ekvationer. Något måste modifieras.

Hendrik A. Lorentz och oberoende av honom irländaren George F. FitzGerald, kom på att om man förkortar alla längder parallellt med jordens hastighet med en faktor \displaystyle \sqrt{1-v^2/c^2}, men inte alls för längder vinkelrätt mot jordens rörelseriktning, så kan man förstå att resultatet måste bli noll. Lorentz idé var att krafterna mellan molekylerna i materien är elektromagnetiska och ändras när de rör sig, på samma sätt som elektromagnetiska fenomen ändrar sig. Han hade själv föreslagit formeln för den s.k. Lorentzkraften som en kombination av det elektriska och det magnetiska fältet, som en partikel påverkas av. Den del av kraften som kommer från det magnetiska fältet är proportionell mot partikelns hastighet.

För en observatör i vila på jorden kommer därför både jorden och apparaterna att kontraherar i rörelseriktningen och ingen effekt kan påvisas. Einstein ansåg att detta var metafysik på ett högre plan. Om ingen effekt kan påvisas måste vi dra slutstsen att ingen effekt finns. Det betyder att vi istället måste utgå från att ljushastigheten är densamma för alla observatörer.

Både Lorentz och FitzGerald visade att Maxwells ekvationer är invaraianta under Lorentztransformationer till lägsta ordningen i hastigheten. Detta får oundvikligen till följd att Michelson-Morleys experiment skall ge ett nollresultat, men att längder kontraherar relativt en observatör som rör sig i förhållande till en som är i vila.

Diskussionen om Lorentzkontraktionernas fysikaliska effekt har förts vidare i senare tid av bl.a. irländaren John S. Bell. Den moderna ståndpunkten är att inte bara Maxwells ekvationer utan alla växelverkningar måste vara Lorentzinvarianta, även de som rör atomkärnan och det radioaktiva betasönderfallet. I den moderna fysiken formuleras därför alla teorier som Lorentzinvarianta teorier. Endast då blir Einsteins postulat giltiga à priori för materiebeskrivningen. Det stora, delvis olösta problemet, är att förena den speciella relativitetsteorin med kvantmekaniken på ett matematiskt tillfredsställande sätt. Även om stora framsteg gjorts inom detta område, är den allmänna uppfattningen att vi ännu inte nått hela vägen fram.

Detta är ett exempel på ett negativt resultat i fysiken, som haft stor betydelse. Oftast tror vi att bara positiva resultat har värde, men här ser vi att varje korrekt resultat är viktigt.