マイケルソン・モーリー実験とは：エーテル仮説と干渉計による検証

光の本質を探る歴史的実験「マイケルソン・モーリー実験」：エーテル仮説と干渉計による決定的検証の全貌。

マイケルソン-モーリー実験は、空虚な空間を満たすと信じられているエーテルと呼ばれる物質の存在と性質を調べるための科学実験である。実験は1887年にアルバート・A・マイケルソンとエドワード・モーリーによって行われた。

背景と目的

水の波には何かが必要であり（水）、音波にも何かが必要である（空気）ことから、当時の物理学者は光にも伝播を媒介する「何か」が必要だと考えた。この仮想の媒質は、18世紀の科学者たちによってギリシャ神話の光の神にちなんで「エーテル」と名付けられた。マイケルソンとモーリーの目的は、地球が宇宙空間を動くことで生じる「エーテル流（エーテル風）」を検出し、光の速度が観測方向に応じて変化するかどうかを実験的に確かめることだった。

装置と実験の原理

実験には「干渉計」と呼ばれる装置（マイケルソン干渉計）が用いられた。基本的な構造は次の通りである：

• 一つの光源から出た光を半透明鏡で二つの経路に分ける。
• それぞれの経路の端で鏡に反射させ、再び合流させる。
• 合流した光同士の位相差により干渉縞（フリンジ）が生じる。

もし地球がエーテル中を動いていて光速がエーテルに対して異方的（方向によって異なる）であれば、二つの経路で光が進む時間に差が生じ、回転させたときに干渉縞が移動するはずである。マイケルソンとモーリーは装置を水平面で回転させ、もしエーテル風が存在すれば回転に伴って規則的なフリンジのずれ（シフト）が観測されると予測した。理論的には、ずれの大きさは地球の速度の二乗に比例する（概ね v^2/c^2 に比例）と見積もられた。

実験結果

マイケルソンとモーリーは高精度に設計された干渉計で複数回の測定を行ったが、期待された大きさのフリンジ移動は観測されなかった。観測された変化は非常に小さく、実験誤差の範囲内であった。つまり、当時期待された「エーテル風」は検出されなかった（いわゆる「null 結果」）。

解釈とその後の展開

この結果は当時の古典的なエーテル理論にとって重大な問題を提起した。いくつかの反応と理論的な試みが続いた：

• フィッツジェラルドの仮説：動いている物体の長さが運動方向に収縮する（長さ収縮）という仮説が提案され、フリンジ移動が打ち消される可能性が考えられた。
• ローレンツの理論：電磁現象の理論を発展させ、長さ収縮や時間変換を導入することでエーテル理論と観測の矛盾を説明しようとした。
• アインシュタインの特殊相対論：1905年にアルベルト・アインシュタインは「光速度はすべての慣性系で一定である」という原理と相対性原理から、エーテルを仮定する必要がない新たな枠組みを提示した。マイケルソン-モーリー実験のnull結果は特殊相対性理論と整合的である。

歴史的意義と現代への影響

マイケルソン-モーリー実験は物理学史上非常に重要な実験の一つとされる。単独で特殊相対性理論を導いたわけではないが、古典的エーテル概念への疑念を強め、物理学の基礎概念（時間、空間、運動の扱い）の再検討を促した。後に行われたより高精度の再現実験や、レーザーや光学共鳴器を用いた現代的な実験により、光速度の等方性は非常に高い精度で確認され続けている。

まとめ

マイケルソン-モーリー実験は、エーテルの存在を直接検出しようとした代表的な実験であり、期待された「エーテル風」は観測されなかった。このnull結果は、後の理論的発展（長さ収縮の提案、ローレンツ変換、特殊相対性理論）に大きな影響を与え、現代物理学の基盤に関わる重要な転換点となった。

実験の様子

地球は太陽の周りを非常に速いスピード（時速10万km以上）で回っています。もしもエーテルが存在するならば、その中を地球が移動することで、動いている車の外に風が吹いているように見えるのと同じように、「風」が発生します。車に乗っている人にとっては、車外の空気は動いている物質のように見えるでしょう。それと同じように、地球上のものにとってエーテルは動く物質のように見えるはずです。

干渉計は、異なる方向に進む光の速度の差を測定することで、「エーテルの風」の速度と方向を測定するように設計されている。干渉計では、銀を部分的に塗った鏡に光を当てて、光の一部が一方に反射し、残りが他方に行くようにして測定する。光の一部は一方に、残りは他方に反射されます。そして、その2つの部分は、分割された場所に反射して戻ってきて、再び結合されます。再結合された光の干渉パターンを見ることで、エーテルの風による速度の変化を知ることができる。

その結果、実際には測定値に大きな違いはないことがわかりました。これは当時の科学界にとって不可解なことであり、この結果を説明するためにさまざまな新理論が生み出された。最も重要だったのは、アインシュタインの特殊相対性理論で使われているローレンツ係数でした。

マイケルソン干渉計は、オリジナルの実験と同じ原理です。しかし、光源にはレーザーを使用している。

質問と回答

Q: マイケルソン-モーリー実験の目的は何ですか?

Q: エーテルとは何ですか?

Q: マイケルソン・モーリー実験はいつ行われたのですか?

Q:マイケルソン・モーリーの実験では何がわかったのですか?

Q: 18世紀の科学者はエーテルについてどう考えていたのでしょうか?

Q: マイケルソンとモーリーは何を使って実験をしたのですか?

Q:マイケルソン・モーリーの実験は何の実験なのでしょうか?

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