Crisi della meccanica classica: sistemi di riferimento inerziali, trasformazioni di Galileo, l'ipotesi dell'etere, esperimento di Michelson-Morley e suo risultato negativo

Sistemi inerziali e relatività galileiana

Un sistema di riferimento inerziale è quello in cui vale il primo principio della dinamica: senza forze, un corpo resta fermo o si muove di moto rettilineo uniforme. Il principio di relatività galileiana afferma che le leggi della meccanica sono identiche in tutti i sistemi inerziali. Le trasformazioni di Galileo portano alla composizione delle velocità, $u = u' + v$, dove $v$ è la velocità di trascinamento.

L'ipotesi dell'etere

Le equazioni di Maxwell indicano che la luce è un'onda elettromagnetica con velocità nel vuoto $c = 1/\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0} \approx 3 \times 10^8$ m/s. Per conciliare questo risultato con la meccanica classica si ipotizzò l'etere luminifero, immobile e presente ovunque: la luce avrebbe avuto velocità $c$ solo rispetto all'etere.

Michelson-Morley

Nel 1887 Michelson e Morley usarono un interferometro:

• un raggio veniva diviso in due percorsi perpendicolari di pari lunghezza $L$;
• i raggi si ricombinavano formando frange di interferenza.

Ruotando l'apparato di $90^\circ$, ci si aspettava uno spostamento delle frange per il vento d'etere, con $c_{\text{andata}} = c - v$ e $c_{\text{ritorno}} = c + v$. Il risultato fu nullo in ogni stagione e direzione. Ciò mostra che il vento d'etere non esiste e che $c$ non dipende dal moto della Terra, mettendo in crisi le trasformazioni di Galileo.