En la segunda mitad del siglo XIX, las opiniones físicas sobre la naturaleza de la propagación de la luz, la acción de la gravedad y algunos otros fenómenos empezaron a encontrar dificultades cada vez más claramente. Estaban conectados con el concepto etéreo que domina en la ciencia. La idea de realizar un experimento que resolviera las contradicciones acumuladas, como dicen, estaba en el aire.
En la década de 1880, se establecieron una serie de experimentos, muy complejos y sutiles para aquellos tiempos: los experimentos de Michelson para estudiar la dependencia de la velocidad de la luz en la dirección del movimiento del observador. Antes de profundizar en la descripción y resultados de estos famosos experimentos, es necesario recordar cuál era el concepto de éter y cómo se entendía la física de la luz.
Puntos de vista del siglo XIX sobre la naturaleza del mundo
A principios de siglo triunfó la teoría ondulatoria de la luz, recibiendo brillantes experimentosconfirmación en los trabajos de Jung y Fresnel, y más tarde, y justificación teórica en el trabajo de Maxwell. Es absolutamente innegable que la luz exhibió propiedades ondulatorias, y la teoría corpuscular fue enterrada bajo una pila de hechos que no podía explicar (solo sería revivida a principios del siglo XX sobre una base completamente nueva).
Sin embargo, la física de esa época no podía imaginar la propagación de una onda de otra manera que no fuera a través de las vibraciones mecánicas de un medio. Si la luz es una onda y es capaz de propagarse en el vacío, los científicos no tuvieron más remedio que suponer que el vacío está lleno de cierta sustancia, debido a que sus vibraciones conducen ondas de luz.
Éter luminoso
La sustancia misteriosa, ingrávida, invisible, no registrada por ningún dispositivo, se llamaba éter. El experimento de Michelson fue diseñado para confirmar el hecho de su interacción con otros objetos físicos.
Las hipótesis sobre la existencia de la materia etérea fueron expresadas por Descartes y Huygens en el siglo XVII, pero se hizo necesaria como el aire en el siglo XIX, y al mismo tiempo condujo a paradojas insolubles. El hecho es que para existir en general, el éter tenía que tener cualidades mutuamente excluyentes o, en general, físicamente irreales.
Contradicciones del concepto de éter
Para que coincida con la imagen del mundo observado, el éter luminífero debe estar absolutamente inmóvil; de lo contrario, esta imagen estaría constantemente distorsionada. Pero su inmovilidad estaba en conflicto irreconciliable con las ecuaciones de Maxwell y el principiorelatividad galileana. En aras de su conservación, era necesario admitir que el éter es arrastrado por los cuerpos en movimiento.
Además, se pensaba que la materia etérea era absolutamente sólida, continua y al mismo tiempo no obstaculizaba de ninguna manera el movimiento de los cuerpos a través de ella, incompresible y, además, poseía elasticidad transversal, de lo contrario no conduciría las ondas electromagnéticas. Además, el éter fue concebido como una sustancia omnipresente, lo que, de nuevo, no encaja bien con la idea de su pasión.
La idea y la primera producción del experimento de Michelson
El físico estadounidense Albert Michelson se interesó en el problema del éter después de leer la carta de Maxwell, publicada después de la muerte de Maxwell en 1879, que describía un intento fallido de detectar el movimiento de la Tierra con respecto al éter en la revista Nature.
En 1881, tuvo lugar el primer experimento de Michelson para determinar la velocidad de propagación de la luz en diferentes direcciones en relación con el éter, un observador que se mueve con la Tierra.
La Tierra, moviéndose en órbita, debe estar sujeta a la acción del llamado viento etéreo - un fenómeno similar al flujo de aire que corre sobre un cuerpo en movimiento. Un haz de luz monocromático dirigido en paralelo a este "viento" se moverá hacia él, perdiendo un poco de velocidad, y viceversa (reflejándose en el espejo) en la dirección opuesta. El cambio de velocidad en ambos casos es el mismo, pero se logra en tiempos diferentes: el rayo "que se aproxima" ralentizado tardará más en viajar. Así que la señal de luzemitido en paralelo al "viento de éter" necesariamente se retrasará en relación con una señal que viaje la misma distancia, también con el reflejo del espejo, pero en una dirección perpendicular.
Para registrar este retraso, se utilizó un dispositivo inventado por el propio Michelson: un interferómetro, cuyo funcionamiento se basa en el fenómeno de superposición de ondas de luz coherentes. Si una de las ondas se retrasara, el patrón de interferencia cambiaría debido a la diferencia de fase resultante.
El primer experimento de Michelson con espejos y un interferómetro no dio un resultado inequívoco debido a la sensibilidad insuficiente del dispositivo y la subestimación de numerosas interferencias (vibraciones) y provocó críticas. Se requería una mejora significativa en la precisión.
Experiencia repetida
En 1887, el científico repitió el experimento junto con su compatriota Edward Morley. Utilizaron una configuración avanzada y tuvieron especial cuidado en eliminar la influencia de los factores secundarios.
La esencia de la experiencia no ha cambiado. El haz de luz captado por medio de una lente incidía sobre un espejo semitransparente colocado en un ángulo de 45°. Aquí dividió: un rayo penetró a través del divisor, el segundo fue en dirección perpendicular. Luego, cada uno de los rayos se reflejaba en un espejo plano ordinario, regresaba al divisor de rayos y luego golpeaba parcialmente el interferómetro. Los experimentadores confiaban en la existencia de un "viento etéreo" y esperaban obtener un cambio completamente medible de más de un tercio de la franja de interferencia.
Era imposible ignorar el movimiento del sistema solar en el espacio, por lo que la idea del experimento incluía la capacidad de rotar la instalación para ajustar la dirección del "viento etéreo".
Para evitar la interferencia de vibraciones y la distorsión de la imagen al girar el dispositivo, toda la estructura se colocó sobre una losa de piedra maciza con un flotador toroidal de madera que flotaba en mercurio puro. Los cimientos debajo de la instalación fueron enterrados en la roca.
Resultados experimentales
Los científicos realizaron cuidadosas observaciones durante todo el año, girando la placa con el dispositivo en sentido horario y antihorario. El patrón de interferencia se registró en 16 direcciones. Y, a pesar de la precisión sin precedentes para su época, el experimento de Michelson, realizado en colaboración con Morley, dio un resultado negativo.
Las ondas de luz en fase que salen del divisor de haz llegaron a la meta sin cambio de fase. Esto se repitió cada vez, en cualquier posición del interferómetro, y significó que la velocidad de la luz en el experimento de Michelson no cambió bajo ninguna circunstancia.
La verificación de los resultados del experimento se llevó a cabo repetidamente, incluso en el siglo XX, utilizando interferómetros láser y resonadores de microondas, alcanzando una precisión de una diez mil millonésima parte de la velocidad de la luz. El resultado de la experiencia permanece inquebrantable: este valor no cambia.
El significado del experimento
De los experimentos de Michelson y Morley se deduce que el "viento etéreo" y, en consecuencia, esta esquiva materia en sí misma simplemente no existe. Si algún objeto físico no se detecta fundamentalmente en ningún proceso, esto equivale a su ausencia. Los físicos, incluidos los autores del experimento brillantemente organizado, no se dieron cuenta de inmediato del colapso del concepto del éter y, con él, del marco de referencia absoluto.
Solo Albert Einstein en 1905 logró presentar una nueva explicación consistente y al mismo tiempo revolucionaria de los resultados del experimento. Considerando estos resultados tal como son, sin intentar atraer éter especulativo hacia ellos, Einstein llegó a dos conclusiones:
- Ningún experimento óptico puede detectar el movimiento rectilíneo y uniforme de la Tierra (el derecho a considerarlo como tal lo da la corta duración del acto de observación).
- Con respecto a cualquier marco de referencia inercial, la velocidad de la luz en el vacío no cambia.
Estas conclusiones (la primera, en combinación con el principio galileano de la relatividad) sirvieron como base para la formulación de Einstein de sus famosos postulados. Así que el experimento de Michelson-Morley sirvió como base empírica sólida para la teoría de la relatividad especial.
