如圖所示:
假設以太相對於太陽靜止,儀器在實驗坐標系中相對於以太以公轉軌道速度向右運動。 光源發光經分光鏡分光成兩束光,光束1經反光鏡M1反射再經分光鏡投射到觀測屏。光束2經反光鏡M2反射再經分光鏡投射到觀測屏,與光束1形成幹涉。光在以太中傳播速度為c,地球相對以太的速度為V。光束1到達M1和從M1返回的傳播速度為不同的,分別為c+V和c-V,完成往返路程所需時間為:(d/c+V)+(d/c-)。光束2完成來迴路程的時間為2d/√(c²-Ⅴ²)。
,光束2和光束1到達觀測屏的光程差為c(d/(c+Ⅴ)+d/(c-)-2d/(√c²-V²))≈ dV²/c²。
然後讓實驗儀器整體旋轉90度,則光束1和光束2到達觀測屏的時間互換,使得已經形成的幹涉條紋產生移動。改變的量為△L=2dⅤ²/c²。移動的條紋數為△L/λ。實驗中用鈉光源,λ=5.9/10000000;地球的公轉軌道運動速率為:V=c/10000;幹涉儀光臂(分光鏡到反光鏡)d=11,應該移動的條紋為:△N=2×11×(1/10000)²/(5.9/10000000)=0.37。麥可遜和莫雷將幹涉儀裝在十分平穩的大理石上,並讓大理石漂浮在水銀槽上,可以平穩地轉動。並當整個儀器緩慢轉動時連續讀數,這時該儀器的精確度為0.01% ,即能測到1/100條條紋移動,用該儀器測條紋移動應該是很容易的。麥可遜和莫雷設想:如果讓儀器轉動90°,光通過OM1、OM2的時間差應改變,幹涉條紋要發生移動,從實驗中測出條紋移動的距離,就可以求出地球相對以太的運動速度,從而證實以太的存在。但實驗結果是:未發現任何條紋移動。在此之後的許多年,麥可遜-莫雷實驗又被重複了許多次,所得都是零結果。
雖然說上述實驗過程十分嚴謹,但作為實驗結論,我們是否遺漏了其它可能呢!下面我們作以下分析。
由於光源發出的光,我們可以分為紫外光、可見光、紅外光。由於人類觀測的始終只有可見光。如果從光源發出的光因藍移,可見光變成紫外光,而紅外光變成可見光。同理又由於紅移,紫外光變成可見光,可見光變成紅外光。因為光源能持續不斷地發生紅移或藍移,所以我們在觀測屏沒有看到變化。是因為可見光的頻率和速度始終不變,但是光源發出的整束光速度和頻率都在改變。