マイケルソン＝モーリーの実験

十九世紀の物理学者の多くは、光は波であり、波である以上それを伝える何かがあるはずだと考えていた。水の波には水が、音には空気がある。光は真空の宇宙も渡ってくるから、宇宙空間全体に目に見えない媒質が満ちているに違いない。これを光のエーテルと呼んだ。ジェームズ・クラーク・マクスウェルが光の正体を電磁波だと示したあとも（電磁場の理論）、その波はエーテルの中を伝わるものと考えられていた。

地球は太陽の周りを秒速約30キロメートルで回っている。エーテルが宇宙に静止しているなら、地球の上ではエーテルの風が吹いているはずで、風に沿って往復する光と、風を横切って往復する光では、かかる時間がわずかに違うはずである。ただ、地球の速さは光の速さの1万分の1ほどしかなく、その差はとても小さい。光の速さそのものを測っても、当時の技術ではとても見分けられなかった。

アメリカの物理学者アルバート・マイケルソンは、この小さな差を測る装置を考え出した。いまのポーランドにあたるプロイセン領で生まれ、幼くしてアメリカに渡り、海軍兵学校で学んだ人である。光を半透明の鏡で二つに分け、直角に交わる二本の腕の先の鏡で反射させて、また一つに重ねる。二つの光の往復時間がわずかでも違えば、重ねたときにできる干渉の縞の位置がずれる。のちにマイケルソン干渉計と呼ばれる装置である。1881年にドイツで試した最初の実験では、期待したずれは見えなかったが、装置の誤差が大きく、はっきりしたことは言えなかった。

マイケルソンはクリーヴランドのケース応用科学校の教授となり、1885年から、隣のウェスタン・リザーブ大学の化学者エドワード・モーリーと組んだ。二人は装置を大きく改良した。鏡で光を何度も往復させて道のりを11メートルに延ばし、期待されるずれを縞の0.4本分にまで大きくした。温度や振動の影響を減らすため、装置は石造りの寮の地下室に置き、厚さ約30センチ、一辺約1.5メートルの砂岩の板の上に組んで、その板を水銀の槽に浮かべた。こうすれば一押しするだけで装置はゆっくり回り続け、腕の向きを変えながら縞を見ていることができる。0.01本分のずれでも見分けられると、二人は見積もった。

観測は1887年の4月から7月にかけて、何度かに分けて行われた。結果は、期待されたずれの40分の1ほどにすぎず、誤差の範囲を出なかった。マイケルソンは8月、イギリスのレイリー卿への手紙に、結果は明らかに否定的だったと書いている。論文は同じ年の11月に発表された。エーテルの風は、どの向きにも、どの時刻にも見つからなかった。

この結果は物理学者たちを困らせた。地球がエーテルを引きずって動いていると考えると、星の光の見え方などほかの観測と食い違う。1889年にアイルランドのフィッツジェラルドが、1892年にはオランダのローレンツがそれぞれ独立に、エーテルの中を動く物体は進む向きにわずかに縮むと考えれば結果が説明できるという仮説を出した。だが、なぜ縮むのかの理由は示せず、つじつま合わせの仮説とみなされた。

謎を根本から解いたのは、1905年にアインシュタインが発表した特殊相対性理論だった（アインシュタインの奇跡の年）。光の速さはどのように動く観測者から見ても同じであり、エーテルという特別な基準は要らない。この考えに立てば、マイケルソンとモーリーの結果は当然のことになり、物体の縮みも理論から自然に導かれる。ただ、アインシュタインがこの実験をどれほど意識して理論を作ったのかは、今も歴史家のあいだで意見が分かれている。

マイケルソンは光の精密な測定の業績で、1907年にアメリカ人として初めて科学の分野のノーベル賞を受けた。同じ種類の実験はその後も精度を上げて何度も繰り返されたが、エーテルの風はついに見つかっていない。史上もっとも有名な失敗した実験と呼ばれることもある。だが、その失敗こそが、空間と時間についての考え方を作り変えるきっかけの一つになった。