Edward Williams Morley(1838-1923) sinh ra trong một gia đình sùng đạo tại Mỹ, cha ông là một mục sư. Do sức khỏe yếu kém nên từ bé ông không đi học mà được cha mẹ dạy ở nhà. Năm 19 tuổi, ông vào Đại học Williams, ngôi trường mà cha ông từng học. Tại đây ông lấy cả bằng Cử nhân vào năm 1860 và Thạc sĩ vào năm 1863. Tiếp theo, ông nghiên cứu thần học tại Chủng viện thần học Andover, rồi làm phụ tá y khoa vài tháng trong quân đội thời Nội chiến, sau đó làm giáo viên dạy 11 môn học khác nhau ở một trường tư. Năm 1868, ông làm cha xứ tại một nhà thờ ở Ohio. Tại đây, cuộc đời Morley có một bước ngoặt quan trọng, không chỉ với ông mà với cả cộng đồng khoa học thời bấy giờ. Ông rời nhà thờ để nhận lời mời từ Trường Western Reserve gần đó, làm giảng viên Hóa, Địa chất, Lịch sử tự nhiên, Toán, và công tác ở đây cho tới khi nghỉ hưu vào năm 1906.
Xác định nguyên tử khối của oxy bằng phương pháp hóa ướtKể từ đầu thế kỷ 19, lý thuyết nguyên tử mà nhà triết học tự nhiên người Anh John Dalton đưa ra đã trở thành trung tâm của hóa học. Người ta cho rằng các nguyên tố chứa những nguyên tử giống hệt nhau, và nguyên tử của các nguyên tố khác nhau được phân biệt bằng trọng lượng của chúng. Vì các nguyên tử quá nhỏ bé để có thể đo lường được giá trị tuyệt đối trong thế kỷ 19, thế nên các nhà hóa học đã xác định nguyên tử khối của nguyên tố theo giá trị tương đối. Họ cho là mọi nguyên tử khối được tính bằng bội số của nguyên tố nhẹ nhất là hydro (= 1).
Giá trị nguyên tử khối là điều thiết yếu để xác định thành phần hóa học, hiểu được các phản ứng mới, tính toán số lượng phản ứng trong quy trình công nghiệp – nói tóm lại, nó quan trọng với hầu như mọi hoạt động trong hóa học thuần túy và hóa học ứng dụng.
Ngày nay, chúng ta khó lòng hiểu hết việc xác định nguyên tử khối của các nguyên tố có tầm quan trọng thế nào đối với công việc của nhiều thế hệ nhà nghiên cứu trong thế kỷ đó. Hầu như mọi nhà khoa học chủ chốt trong thế kỷ 19 đều bắt tay vào việc xác định nguyên tử khối. Dalton, Humphry Davy, Jacob Berzelius, Joseph Gay-Lussac, Jean-Baptiste Dumas, Justus von Liebig cùng nhiều người khác đã đóng góp ý tưởng và kết quả nghiên cứu của họ. Điều này được quan tâm sâu rộng tới vậy không chỉ vì giá trị nguyên tử khối được dùng trong mọi phép tính hóa học, mà kiến thức này còn là nền tảng cho các lý thuyết về bản chất thực sự của vật chất.
Kể từ đầu thế kỷ 20, nhờ sử dụng các công cụ phức tạp như máy đo phổ khối, các nhà khoa học đã dễ dàng xác định được các nguyên tử khối một cách chính xác. Trước khi những phương pháp vật lý như vậy ra đời, các nhà khoa học ở thế kỷ 19 đã sử dụng “phương pháp hóa ướt” – các quy trình như lọc, hòa tan, kết tinh lại. Những phương pháp này tốn nhiều công sức và không chính xác bằng các phương pháp vật lý.
Nguyên tử khối quan trọng nhất cần xác định là oxy. Nguyên tử khối của hầu hết các nguyên tố khác được xác định bằng cách tổng hợp hay phân tích các oxit, và độ chính xác của những nguyên tử khối này phụ thuộc trực tiếp vào việc xác định khối lượng của oxy.
Morley đã tiến hành các thí nghiệm phân tích chất khí trong nhiều năm. Từ năm 1872 – 1882, ông nghiên cứu nồng độ oxy trong khí quyển. Từ năm 1882 – 1893, ông tiến hành xác định nguyên tử khối tương đối giữa khí hydro và oxy. Ông còn phát triển các thiết bị và phương pháp ngày càng tinh tế hơn để loại bỏ tạp chất như hơi nước, hơi thủy ngân và carbonic từ các mẫu khí để cân trọng lượng của chúng chính xác hơn. Morley hầu như làm việc một mình. Năm 1895, ông đã tính ra nguyên tử khối tương đối của oxy (với hydro = 1) là 15,879 và công bố giá trị này trong kiệt tác On the Densities of Hydrogen and Oxygen and on the Ratio of Their Atomic Weights, đăng trên một ấn phẩm của Viện Smithsonian.
Công trình của Morley không chỉ có ý nghĩa là xác định giá trị chính xác hơn cho một hằng số của tự nhiên, mà nó còn giải quyết cuộc tranh cãi đã diễn ra trong suốt thế kỷ 19. Nhiều bảng nguyên tử khối ban đầu thể hiện mọi giá trị bằng số nguyên: cacbon = 12, nito = 14, sắt = 56..., vì như đã nói ở trên, nhiều nhà khoa học thời đó cho rằng nguyên tử khối của các nguyên tố là bội số của hydro. Kết quả mà ông tính ra đã bác bỏ giả thuyết này.
Thành quả của Morley đã đem về cho ông sự tưởng thưởng xứng đáng. Ông được bổ nhiệm vào Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia và Viện Hàn lâm Khoa học và Nghệ thuật Hoa Kỳ, đồng thời được bầu làm Chủ tịch Hiệp hội vì sự tiến bộ của Khoa học Hoa Kỳ (1896) và Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (1899-1900). Morley cũng được bầu làm thành viên danh dự của một số hiệp hội quốc tế, gồm Viện Hoàng gia, Hiệp hội Hóa học London và Hiệp hội vì sự tiến bộ của khoa học Anh. Năm 1907, ông nhận được Huân chương Davy của Hiệp hội Hoàng gia.
Thí nghiệm Michelson-MorleyNăng lực thí nghiệm mạnh mẽ của Morley được nhiều người biết tới và đã thu hút sự chú ý của Albert Michelson, giáo sư tại Trường Khoa học ứng dụng Case gần đó. Hai người hợp tác từ năm 1885 – 1889 để thực hiện ba dự án lớn: lặp lại các thí nghiệm của Hippolyte Fizeau về vận tốc ánh sáng qua một môi trường chuyển động; một nghiên cứu về sử dụng bước sóng của ánh sáng hơi natri làm tiêu chuẩn tuyệt đối cho độ dài; thí nghiệm về ê-te kinh điển vào năm 1887. Và chính nỗ lực tìm kiếm bằng chứng cho ê-te truyền sáng là thí nghiệm “thất bại” nổi tiếng nhất trong lịch sử vật lý.
Vào thế kỷ 19, các nhà khoa học giả định rằng ê-te là một môi trường trung gian truyền đi các sóng điện từ, trong đó có sóng ánh sáng. Họ cho rằng nếu sóng âm di chuyển qua không khí thì chắc chắn ánh sáng cũng phải truyền qua một môi trường nào đó chứ?
Đây chính là lý do nhà vật lý Michelson quyết tâm thực hiện thí nghiệm để tìm ra ê-te. Ông đã chế tạo giao thoa kế mang tên mình, một thiết bị quang học nhạy có thể so sánh độ dài của ánh sáng chuyển động theo hai hướng vuông góc nhau. Ông lý luận rằng: nếu tốc độ ánh sáng là không đổi so với môi trường ê-te được giả định là bao phủ không gian và Trái đất chuyển động trong đó, thì họ có thể phát hiện chuyển động đó bằng cách so sánh tốc độ của ánh sáng cùng hướng chuyển động của Trái đất và tốc độ ánh sáng vuông góc với chuyển động của Trái đất.
Cụ thể, họ sử dụng gương bán mạ để tạo ra hai chùm sáng vuông góc; mỗi chùm tia bật khỏi gương và cùng truyền tới một máy dò. Nếu Trái đất chuyển động so với ê-te, thì các chùm tia sẽ truyền tới máy dò vào các thời điểm khác nhau. Morley và Michelson đã cùng nhau thực hiện vô số thử nghiệm theo nhiều hướng khác nhau với chuyển động của Trái đất và kết quả lần nào cũng giống nhau: không có sự khác biệt về tốc độ ánh sáng.
Tuy vào thời đó thí nghiệm của hai nhà khoa học được cho là thất bại, song nó đã khiến các nhà khoa học nghi ngờ về lý thuyết môi trường trung gian ê-te và sau này dần dần loại bỏ nó. Không những vậy, kết quả này là một bước quan trọng dẫn tới thuyết tương đối đặc biệt của Albert Einstein vào năm 1905, trong đó ông đề xuất rằng tốc độ ánh sáng là một hằng số phổ quát.
Nguồn: acs.org, britannica.com, oxsci.org, case.edu