mini|300px|Esquema del experimento de Michelson y Morley: Fuente de luz. y Espejo divisor semiplateado. y [3'] Espejos planos. Ocular.
El experimento de Michelson y Morley, uno de los más relevantes de la historia de la física, fue un intento de medir el movimiento de la Tierra en relación con el éter, un supuesto medio que se pensaba que impregnaba el espacio y que debería ser el portador de la luz. El experimento fue realizado entre abril y julio de 1887 por los físicos estadounidenses Albert Abraham Michelson (Premio Nobel de Física, 1907) y Edward Morley, en lo que hoy es la Universidad Case de la Reserva Occidental en Cleveland, Ohio, y se publicó en noviembre del mismo año. El resultado del experimento constituiría posteriormente la base experimental de la teoría de la relatividad especial de Einstein.
La experiencia comparaba la velocidad de la luz en dos direcciones perpendiculares entre sí, en un intento de detectar el movimiento relativo de la materia, incluido su laboratorio, a través del éter luminífero o «viento de éter», como a veces se le llamaba. El resultado fue negativo, ya que no encontraron ninguna diferencia significativa entre la velocidad de la luz en la dirección del movimiento a través del presunto éter y la velocidad en ángulo recto. Este resultado generalmente se considera la primera evidencia sólida contra las teorías sobre el éter, además de iniciar una línea de investigación que finalmente condujo a la teoría de la relatividad especial, que descarta el movimiento con respecto a un presunto éter. Sobre este experimento, Albert Einstein escribió: «Si el experimento de Michelson y Morley no nos hubiera puesto en una situación muy embarazosa, nadie habría considerado la teoría de la relatividad como una redención (a medio camino)».
Los experimentos del tipo del de Michelson y Morley se han repetido muchas veces con una sensibilidad cada vez mayor, e incluyen ensayos realizados entre 1902 y 1905, así como una serie de pruebas desarrolladas en la década de 1920. Más recientemente, en 2009, los experimentos realizados con una cavidad óptica confirmaron la ausencia de viento de éter con una precisión de 10−17. Junto con los ensayos de Ives-Stilwell y de Kennedy-Thorndike, los experimentos del tipo del de Michelson y Morley forman una de las pruebas de la relatividad especial fundamentales.
Intentos de detectar el éter Las teorías físicas del suponían que, así como las ondas que se mueven en la superficie del agua deben tener una sustancia de soporte, es decir, un «medio» para poder desplazarse (en este caso, el agua), y así como el sonido audible requiere un medio para transmitir sus movimientos ondulatorios (como el aire o el agua), la luz también debería requerir un medio material, el «éter», para poder transmitir sus movimientos ondulatorios. Como la luz puede viajar a través del vacío, se suponía que incluso el vacío debía estar lleno de éter. Debido a que la velocidad de la luz es tan grande, y teniendo en cuenta que los cuerpos materiales pasaban a través del «éter» sin fricción o arrastre evidentes, se supuso que tenía una combinación de propiedades muy inusual. Diseñar experimentos para investigar estas propiedades se convirtió en una alta prioridad de la física del .
La Tierra orbita alrededor del Sol a una velocidad de alrededor de 30 km/s o 108 000 km/h. Teniendo en cuenta este movimiento, se consideraron dos posibilidades principales: (1) El éter es estacionario y solo es parcialmente arrastrado por la Tierra (hipótesis propuesta por Augustin Fresnel en 1818), o (2) El éter es completamente arrastrado por la Tierra y comparte así su movimiento con el de la superficie terrestre (hipótesis propuesta por George Gabriel Stokes en 1844). Además, James Clerk Maxwell (1865) reconoció la naturaleza electromagnética de la luz y desarrolló lo que ahora se llaman ecuaciones de Maxwell, pero todavía se interpretaba que estas ecuaciones describían el movimiento de las ondas a través de un «éter», cuyo estado de movimiento se desconocía. Finalmente, se prefirió la idea de Fresnel de un éter (casi) estacionario porque parecía estar confirmada por el experimento de Fizeau (1851) y por el fenómeno de la aberración de la luz de las estrellas.
thumb|right|300px|Una descripción del concepto de «éter».
Según las hipótesis del éter estacionario y parcialmente arrastrado, la Tierra y el éter están en movimiento relativo, lo que implica que debería existir el llamado «viento de éter» (Fig. 2). Aunque en teoría sería posible que el movimiento de la Tierra igualara al del éter en un momento dado, no era posible que la Tierra permaneciera en reposo con respecto al éter en todo momento, debido a la variación tanto de la dirección como de la velocidad del movimiento. En cualquier punto dado de la superficie de la Tierra, la magnitud y dirección del viento variarían con la hora del día y la estación. Al analizar la velocidad de retorno de la luz en diferentes direcciones y en distintos momentos, se pensó que era posible medir el movimiento de la Tierra en relación con el éter. La diferencia relativa esperada en la velocidad de la luz medida era bastante pequeña, dado que la velocidad de la Tierra en su órbita alrededor del Sol tiene una magnitud de aproximadamente una centésima del uno por ciento de la velocidad de la luz.
A mediados del , las mediciones de los efectos del viento de éter de primer orden, es decir, efectos proporcionales a v/c (siendo v la velocidad de la Tierra y c la velocidad de luz) se pensaba que eran viables, pero en aquella época no fue posible medir directamente la velocidad de la luz con la precisión requerida. Por ejemplo, el experimento de Fizeau y Foucault podía medir la velocidad de la luz con una precisión de quizás el 5 %, lo que no era adecuado para medir directamente un cambio de primer orden, de aproximadamente 0.01 % en la velocidad de la luz. Por lo tanto, varios físicos intentaron realizar mediciones de efectos indirectos de primer orden, no de la velocidad de la luz en sí, sino de variaciones en la velocidad de la luz (véase experimentos de arrastre del éter de primer orden). El experimento de Hoek, por ejemplo, estaba destinado a detectar interferométricamente cambios marginales debidos a las diferencias de velocidad de ondas de luz al propagarse en sentidos opuestos a través del agua en reposo. Los resultados de tales experimentos fueron todos negativos. Esto podría explicarse mediante el uso del coeficiente de arrastre de Fresnel, según el cual el éter, y por lo tanto la luz, son parcialmente arrastrados por la materia en movimiento. El arrastre parcial del éter frustraría los intentos de medir cualquier cambio de primer orden en la velocidad de la luz. Como señaló Maxwell (1878), solo con instrumental capaz de medir efectos de segundo orden se tendría alguna esperanza de detectar la deriva del éter, es decir, efectos proporcionales a v2/c2. Sin embargo, los equipos de experimentación existentes por entonces no eran lo suficientemente sensibles como para medir efectos de una magnitud tan reducida.
Experimentos de 1881 y 1887
Experimento de Michelson (1881) thumb|300px|Interferómetro de Michelson de 1881. Aunque en última instancia resultó incapaz de distinguir entre diferentes teorías del arrastre del éter, su construcción proporcionó lecciones importantes para el diseño del instrumento de 1887 de Michelson y Morley.Entre otras lecciones, estuvo la necesidad de controlar las vibraciones. Michelson (1881) escribió: «... debido a la extrema sensibilidad del instrumento a las vibraciones, el trabajo no podía realizarse durante el día. A continuación, el experimento se intentó por la noche. Cuando los espejos se colocaron en la mitad de los brazos, las franjas eran visibles, pero su posición no podía medirse hasta pasadas las doce, y solo a intervalos. Cuando los espejos se acercaban a los extremos de los brazos, las franjas sólo eran visibles ocasionalmente. Por lo tanto, resultó que los experimentos no podían realizarse en Berlín, por lo que el aparato fue trasladado al Observatorio Astrofísico de Potsdam... Aquí, las franjas en circunstancias normales eran lo suficientemente estables para ser medidas, pero el instrumento era tan extraordinariamente sensible que ¡el pisado del pavimento, a unos cien metros del observatorio, hacía que las franjas desaparecieran por completo!
Michelson tenía una solución al problema de cómo construir un dispositivo lo suficientemente preciso para detectar el arrastre del éter. En 1877, mientras enseñaba en su alma mater, la Academia Naval de los Estados Unidos en Annapolis, realizó sus primeros experimentos conocidos sobre la velocidad de la luz como parte de una demostración en el aula. En 1881, dejó el servicio activo en la marina de los Estados Unidos mientras estaba en Alemania concluyendo sus estudios. Ese año, utilizó un prototipo de dispositivo experimental para realizar varias mediciones más.
El dispositivo que diseñó, más tarde conocido como interferómetro de Michelson, enviaba luz amarilla desde una llama de sodio (para las operaciones de alineación), o emitía luz blanca (para las observaciones reales), a través de un espejo semiplateado que se usaba para dividir el haz de luz en dos rayos que viajaban en ángulo recto uno respecto al otro. Después de salir del espejo divisor, los rayos viajaban hasta los extremos de dos largos brazos, donde se reflejaban hacia el centro mediante pequeños espejos. Por último, se recombinaban en el lado opuesto del divisor en un ocular, produciendo un patrón de interferencia constructivo y destructivo, cuyo desplazamiento transversal dependería del tiempo relativo que tarda la luz en transitar los brazos longitudinales frente a los transversales. Si la Tierra estaba viajando a través del éter, un rayo de luz que viajara paralelo al flujo de ese éter tardaría más en reflejarse hacia adelante y hacia atrás que un rayo que viaja perpendicular al éter, porque el aumento en el tiempo transcurrido al viajar contra el viento del éter sería mayor que el tiempo ahorrado al viajar a favor del viento del éter. Michelson esperaba que el movimiento de la Tierra produjera un cambio marginal igual a 0.04 franjas, es decir, un desplazamiento de la separación entre áreas de la misma intensidad. Sin embargo, no observó el cambio esperado, y la mayor desviación media que midió (en dirección noroeste) fue de solo 0.018 franjas, y la mayoría de sus medidas eran mucho menores. Su conclusión fue que la hipótesis de Fresnel de un éter estacionario con arrastre parcial del éter tendría que ser rechazada y, por lo tanto, confirmó la hipótesis de Stokes de un arrastre total del éter.
Sin embargo, Alfred Potier (y más tarde Hendrik Antoon Lorentz) le señalaron a Michelson que había cometido un error de cálculo y que el desplazamiento marginal esperado debería haber sido de solo 0.02 franjas. El aparato de Michelson estaba sujeto a errores experimentales demasiado grandes para decir algo concluyente sobre el viento de éter. La medición definitiva del viento de éter requeriría realizar un experimento con mayor precisión y mejores controles que el original. Sin embargo, el prototipo logró demostrar que el método básico era viable.
Experimento de Michelson y Morley (1887)
thumb|left|Instalación interferométrica de Michelson y Morley, montada sobre una losa de piedra que flotaba en un canal anular de mercurio