El experimento de Michelson–Morley

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La teoría electromagnética de Maxwell demostraba que la luz era una onda electromagnética, pero para comprender su movimiento ondulatorio los físicos de finales del siglo XIX se veían condicionados a suponer la existencia del éter, un medio elástico que llenaba todo el espacio y que permitiría la propagación de la luz a través de él.

De modo que el éter rodeaba todo a nuestro alrededor, y no sólo la luz viajaba en su seno, sino que incluso la Tierra se desplazaba a través de él por el espacio.

La Tierra a través del éter

Si nuestro planeta se mueve en el seno del éter en reposo y la luz viaja a una velocidad constante respecto al éter, podríamos pensar que si se mide la velocidad de la luz (respecto a la Tierra) cuando ésta se mueve en la misma dirección y sentido del movimiento del planeta resultaría una velocidad inferior que cuando se mide en sentido contrario.

Podemos imaginarnos esta situación si consideramos el movimiento de dos nadadores que parten del mismo punto de un río. Ambos nadan a la misma velocidad y recorren la misma distancia de ida y vuelta, pero uno de ellos lo hace en dirección perpendicular a la corriente y el otro lo hace a contracorriente:

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El primer nadador tarda menos en recorrer la misma distancia, ya que tanto el punto de referencia como él se ven arrastrados de la misma manera por la corriente, por lo que ésta no afecta a su movimiento. Sin embargo, el segundo llegará más tarde, pues la corriente se opone a su movimiento.

Cuanto mayor sea la velocidad de la corriente mayor será el tiempo que emplea en recorrer la misma distancia. Así, la velocidad de la corriente podría determinarse a partir de la diferencia de tiempos entre el primer y el segundo nadador.

Al igual que un nadador contracorriente es frenado por el arrastre del río, un haz de luz viajando en la misma dirección que se movía la Tierra en torno al Sol resultaría frenado por el “viento del éter”.

Michelson pensó que si en lugar de nadadores, considerásemos dos haces de luz que se desplazan perpendicularmente, uno en la misma dirección que el movimiento de la Tierra respecto al éter y otro de manera perpendicular a éste, deberíamos notar una pequeña diferencia (la luz se mueve diez veces más rápido que la Tierra) entre ambos movimientos, es decir, que la luz se movería con diferente velocidad dependiendo de la dirección en la que se propague.

El experimento de Michelson y Morley

Albert Michelson era un científico obsesionado con la precisión. Ya en 1879 midió la velocidad de la luz obteniendo el valor de 299.940 kilómetros por segundo. Para poder medir la velocidad de la Tierra con respecto al éter, Michelson diseñó en 1881 un aparato denominado interferómetro:

Michelson_Morley

Estuvo perfeccionándolo durante años y, con la ayuda de Morley, en 1887, llevó a cabo el siguiente experimento:

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El planteamiento es el siguiente. La luz procedente de una fuente incide sobre un espejo semitransparente A, que en parte se refleja y en parte se transmite. El haz reflejado llega hasta el espejo M2 y vuelve hasta el punto de observación O donde miramos con nuestro ojo. El haz transmitido viaja hacia el espejo M1 pasando a través de una placa de vidrio B y vuelve de nuevo hacia el espejo semitransparente y más tarde al ojo situado en O. La placa B que tiene el mismo espesor que el espejo semitransparente es para garantizar que los dos haces 1 y 2 atraviesen el mismo espesor de vidrio. Cuando los dos haces se junten en O formarán un diagrama de interferencias. Si los dos haces se recombinan en fase, la intensidad de la luz aumentará (interferencia constructiva). Si por el contrario los haces se recombinan con fase opuesta (interferencia destructiva) la intensidad disminuirá llegando incluso a producirse una franja oscura.

Durante el experimento el interferómetro giraba lentamente mientras Michelson, sin tocar el instrumento, leía y Morley anotaba las lecturas de las franjas de interferencia. Uno de los haces, el que viaja en la dirección del desplazamiento de la Tierra, debería sufrir el arrastre del éter y llegar más tarde al punto de encuentro, perdiendo la sincronía con el otro haz. Sin embargo, lo que encontraron fue inesperado: se halló un perfecto acuerdo entre ambos, para cualquier orientación del interferómetro las franjas de interferencias permanecían, sin desplazarse, en la misma posición:

michelson-morley_interferometer

La velocidad de los haces de luz era la misma en cualquier dirección (observa esta simulación). A pesar del cuidadoso esmero con que se realizaron los experimentos, el movimiento de la Tierra respecto al éter no pudo ser detectado.

Esto planteaba un importante dilema: o bien el éter no existe, y por eso no se puede detectar el movimiento de ningún cuerpo respecto a él, o bien existe y los cuerpos se mueven en su seno, pero hay ciertos mecanismos de compensación que anulan los efectos de este movimiento.

¿Cuál fue la respuesta de la ciencia a este experimento? ¿Influyó en el desarrollo de la teoría de la relatividad?

Los antecedentes históricos de la teoría de la relatividad

En el siglo XIX se había alcanzado un gran desarrollo de la física y se tenían ya desarrolladas las grandes teorías de la dinámica, la óptica, el electromagnetismo o la termodinámica. Incluso Lord Kelvin se atrevió a decir que no quedaba “nada nuevo por descubrir en la física actualmente” y que lo único que faltaba era “tener mediciones más precisas”. Sin embargo, la física clásica se tuvo que enfrentar a nuevos retos y contradicciones que pusieron en tela de juicio las teorías clásicas y las concepciones más arraigadas en la comunidad científica.

La naturaleza electromagnética de la luz

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A finales del siglo XIX se había llegado a la conclusión, gracias a los trabajos de Maxwell y Hertz, de que la luz era una onda electromagnética.

En el año 1865 el físico James Maxwell unificó los fenómenos eléctricos y magnéticos en una única teoría electromagnética. Con ellas se podían describir las perturbaciones del campo electromagnético con las mismas expresiones que las ondas sonoras y permitían deducir su velocidad de propagación, próxima a los 300 000 000 m/s.

Este valor era sospechosamente cercano al de las mediciones que se habían hecho de la velocidad de la luz. En 1849, el parisino Hippolyte Fizau había atrapado un rayo de luz en un laberinto de espejos y, armado con un delicado mecanismo, logró medir su velocidad en el aire, obteniendo un valor de unos 315 000 000 m/s, que su compatriota Foucault afinó hasta los 298 000 000 m/s.

Ante tan asombrosa coincidencia, Maxwell se atrevió a anunciar: la velocidad se aproxima tanto a la de la luz que, según parece, existen poderosas razones para concluir que la propia luz es una perturbación electromagnética que se propaga en forma de ondas a través del campo electromagnético, de acuerdo con las leyes electromagnéticas.

El éter luminífero

Al igual que todos los movimientos ondulatorios conocidos, la luz necesitaría un medio material para propagarse lo que hizo suponer la existencia de un medio elástico que llenaba el espacio y que denominaron éter.

La existencia del éter presuponía que la velocidad de la luz, de la que se habían hecho mediciones muy precisas, era sólo válida en un sistema de referencia respecto al cual el éter estuviera en reposo. En cualquier otro sistema de referencia sería otra debido a que el éter arrastraría la luz en su movimiento.

El esfuerzo experimental (véase el experimento de Michelson y Morley) realizado para comprobar de algún modo si existía un sistema de referencia preferible a todos los demás permitió descartar la existencia del éter, una de las bases de la teoría de la relatividad.