Apuntes de física: LA EXPERIENCIA DE MICHELSON

El éter : Cuando Hertz descubrió las ondas electromagnéticas cuya existencia se puede deducir de las ecuaciones de Maxwell, se conocían varios fenómenos ondulatorios como la propagación de vibraciones en medios elásticos (cuerdas y placas, sonido, olas, etc.), y la luz. Los fenómenos ondulatorios mecánicos se producían en un medio material que era el que oscilaba en el tiempo y en el espacio. La luz en cambio se propagaba en el vacío, donde no se detectaba medio material algunoNo es posible concebir una perturbación2 de algo que no existe. Si hay perturbación es de "algo" y entonces se creyó en la existencia de ese algo mecánicamente indetetectable y cuyas oscilaciones producían las ondas electromagnéticas y la luz como caso particular. Se lo llamó éter, por su consistencia etérea o incorpórea: No era la primera vez que filósofos, físicos y químicos empleaban este nombre para designar algún agente escurridizo a los sentidos, pero necesario para una teoría. Demás está decir que el nuevo éter debía tener curiosas características : un módulo de elasticidad muy superior al del acero para justificar la tremenda velocidad de las ondas que viajaban en su seno; una consistencia extremadamente sutil ya que su masa era indetectable; una extraordinaria difusibilidad que le permitía penetrar en la materia. A pesar de que la imagen de un fluido material no era apropiada para representar el misterioso medio donde transcurrían las vibraciones luminosas, los físicos de principios de siglo creían y hablaban de ese "mar de éter" por el que navegábamos todos a bordo de la tierra, y consecuentemente se preguntaban: ¿Será calmo o agitado? ¿Estará alterado por los cuerpos en movimiento, con olas y remolinos? Tenía sentido pensar que el mar de éter que inundaba el universo poseyera alguna relación de posición y de velocidad con respecto al mismo: Y el propio universo, aún considerado muy grande y en expansión, debía tener un centro de gravedad: éste era el punto fijo, el origen de coordenadas absoluto que Newton había ubicado en relación a las "estrellas fijas". Una hipótesis simple que se hacía era imaginar al éter sin movimiento absoluto neto con respecto al universo, pero con posibilidad de perturbaciones locales: Por ejemplo se pensaba que la materia quizás pudiera arrastrar localmente en forma más o menos al éter próximo. El experimento En 1881 los físicos norteamericanos Michelson y Morley hicieron un experimento para medir el movimiento relativo de la tierra con respecto al éter. La idea era detectar el viento de éter al que seguramente estaríamos expuestos por lo menos en alguna época del año, cuando la tierra en su incesante y variado movimiento se encontrara "remando contra la corriente" . Consideremos cómo se puede determinar la velocidad del viento midiendo la velocidad del sonido en dos direcciones: Si el aire está quieto con respecto al observador, la velocidad no dependerá de la dirección. Si en cambio existe viento, en la dirección del mismo se observará mayor velocidad y en contra, menor. Este es el principio que Michelson trasladó al caso de la luz. En vez de recurrir a medir la velocidad de la luz en varias direcciones con algún método directo, se sirvió de su interferómetro, que proporcionaba mayor precisión y comodidad. Cómo seguramente nuestro lector conoce, con el interferómetro de Michelson se comparan los caminos ópticos de dos ramas perpendiculares observando la figura de interferencia entre los rayos que las recorren. Así podremos razonar que si hay viento de éter, el número de longitudes de onda contenido en rayos perpendiculares variará al girar el aparato. Esto se traducirá en un corrimiento de los famosos anillos de interferencia que surgen al superponerlos. Los físicos de la época nunca hubieran sospechado el dramático y desesperante resultado para el que no estaban preparados: los anillos no se movieron un ápice cuando se giraba el aparato!.. La primera reacción fue desconfiar del propio aparato, pero éste era impecable, al igual que el método empleado que predecía por lo menos corrimientos de 1/4 de franja perfectamente visibles. ¡Nada!... Alguien sospechó que el laboratorio o la tierra hacían de pantalla al viento de éter. Así que se repitió la experiencia a grandes alturas, en las cimas de las montañas y también en la estratosfera: Inútil: las franjas no se movían al rotar el aparato en cualquier ángulo y en cualquier lugar. Ante esa figura de interferencia que se mostraba inmóvil como en una foto, los físicos se decidieron a interpretar el resultado sin prejuicios ni reservas sobre su veracidad: Una primera conclusión irrefutable: La velocidad de la luz era constante para observadores que se movían a diferentes velocidades absolutas uniformes: era una constante en cualquier sistema de coordenadas inerciales (sistemas con movimiento absoluto uniforme). El éter parecía estar quieto con respecto a cualquier observador, incluso así se presentaba a dos observadores con movimiento relativo entre ellos. En la NOTA 1 se explica cuantitativamente este importante experimento. Las interpretaciones ¿Cómo interpretar este resultado, que desde ya no podía atribuirse a fallas inherentes la técnica de medición, por cierto tan meticulosa? Hubo muchos intentos: La influencia del posible arrastre total por la proximidad de la tierra fue pronto descalificado, como ya se mencionara, por repeticiones de experiencias similares con iguales resultados realizadas en laboratorios estratoesféricos. Además se midió la velocidad de la luz en fluidos que circulaban por tubos a gran velocidad: el arrastre era sólo parcial dentro del fluido en movimiento. Sorprendentemente la velocidad medida en movimiento era menor que la suma de la velocidad de circulación del medio y la de la luz en el medio quieto. El reemplazo del éter por el campo electromagnético Desde el punto vista del electromagnetismo, las ecuaciones de onda deducidas de las de Maxwell revelaban que deberían existir oscilaciones de campos como resultado de la realimentación entre el eléctrico y el magnético. De acuerdo a la forma de dichas ecuaciones de onda, se preveía que la velocidad de propagación debía ser numéricamente igual a la de la luz. Poco después Hertz produjo ondas estacionarias de ese tipo en el laboratorio, detectando los nodos eléctricos y magnéticos con su célebre resonador El concepto físico de campo (gravitatorio, eléctrico o magnético) es el de una propiedad del espacio que rodea a las masas, cargas o corrientes, respectivamente, que explica la acción a distancia de la fuerza sobre otra masa, carga o corriente. Se puede reemplazar al éter dejando en su lugar a los campos como portadores de ondas y como responsables de las propiedades del espacio. Puede abandonarse así la idea del éter material con sus extrañas propiedades mecánicas para pasar al campo electromagnético que viene a ser un éter de propiedades bien definidas y estudiadas por la electricidad y la matemática. Con la teoría de los campos es más fácil asumir y plantear el hecho que las ondas electromagnéticas son perturbaciones que se propagan con la misma velocidad respecto a cualquier observador, esté éste fijo o moviéndose a cualquier velocidad absoluta.s leer mas