El éter luminífero o éter [1] ( luminífero significa 'portador de luz') fue el medio postulado para la propagación de la luz . [2] Se invocó para explicar la capacidad de la luz aparentemente basada en ondas para propagarse a través del espacio vacío (un vacío ), algo que las ondas no deberían poder hacer. La suposición de un plenum espacial (espacio completamente lleno de materia) de éter luminífero, en lugar de un vacío espacial, proporcionó el medio teórico que requerían las teorías ondulatorias de la luz.
La hipótesis del éter fue objeto de un considerable debate a lo largo de su historia, ya que exigía la existencia de un material invisible e infinito que no interactuara con los objetos físicos. A medida que se exploraba la naturaleza de la luz, especialmente en el siglo XIX, las cualidades físicas que se exigían al éter se volvieron cada vez más contradictorias. A finales del siglo XIX, se cuestionaba la existencia del éter, aunque no existía ninguna teoría física que la sustituyera.
El resultado negativo del experimento de Michelson-Morley (1887) sugirió que el éter no existía, un hallazgo que se confirmó en experimentos posteriores a lo largo de la década de 1920. Esto condujo a un considerable trabajo teórico para explicar la propagación de la luz sin un éter. Un gran avance fue la teoría de la relatividad especial , que podría explicar por qué el experimento no logró detectar el éter, pero se interpretó de manera más amplia para sugerir que no era necesario. El experimento de Michelson-Morley, junto con el radiador de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico , fue un experimento clave en el desarrollo de la física moderna , que incluye tanto la relatividad como la teoría cuántica , la última de las cuales explica la naturaleza de partícula de la luz.
En el siglo XVII, Robert Boyle fue uno de los defensores de la hipótesis del éter. Según Boyle, el éter está formado por partículas sutiles, una de las cuales explica la ausencia de vacío y las interacciones mecánicas entre los cuerpos, y la otra explica fenómenos como el magnetismo (y posiblemente la gravedad) que, de otro modo, serían inexplicables basándose en interacciones puramente mecánicas entre cuerpos macroscópicos, "aunque en el éter de los antiguos no se percibía nada más que una sustancia difusa y muy sutil; sin embargo, hoy estamos dispuestos a admitir que siempre hay en el aire un enjambre de corrientes que se mueven en un curso determinado entre el polo norte y el sur". [3]
En su Tratado sobre la luz (1690), Christiaan Huygens planteó la hipótesis de que la luz es una onda que se propaga a través de un éter. Tanto él como Isaac Newton sólo podían concebir las ondas de luz como longitudinales , propagándose como el sonido y otras ondas mecánicas en fluidos . Sin embargo, las ondas longitudinales tienen necesariamente una única forma para una dirección de propagación dada, en lugar de dos polarizaciones como una onda transversal . Por lo tanto, las ondas longitudinales no pueden explicar la birrefringencia , en la que dos polarizaciones de la luz son refractadas de forma diferente por un cristal. Además, Newton rechazó la luz como ondas en un medio porque dicho medio tendría que extenderse por todas partes en el espacio y, por lo tanto, "perturbaría y retardaría los movimientos de esos grandes cuerpos" (los planetas y los cometas) y, por lo tanto, "como [el medio de la luz] no sirve de nada, y obstaculiza el funcionamiento de la naturaleza y la hace languidecer, no hay evidencia de su existencia y, por lo tanto, debe rechazarse". [4]
Isaac Newton sostuvo que la luz está formada por numerosas partículas pequeñas. Esto puede explicar características como la capacidad de la luz de viajar en línea recta y reflejarse en superficies. Newton imaginó las partículas de luz como "corpúsculos" no esféricos, con diferentes "lados" que dan lugar a la birrefringencia. Pero la teoría de partículas de la luz no puede explicar satisfactoriamente la refracción y la difracción . [5] Para explicar la refracción, el Tercer libro de Óptica de Newton (1.ª ed. 1704, 4.ª ed. 1730) postuló un "medio etéreo" que transmite vibraciones más rápido que la luz, por el cual la luz, cuando es superada, entra en "ataques de fácil reflexión y fácil transmisión", que causan refracción y difracción. Newton creía que estas vibraciones estaban relacionadas con la radiación térmica:
¿No se transmite el calor de una habitación caliente a través del vacío por las vibraciones de un medio mucho más sutil que el aire, que después de extraerlo permaneció en el vacío? ¿Y no es este medio el mismo que el medio por el cual la luz se refracta y se refleja, y por cuyas vibraciones la luz comunica calor a los cuerpos y se refleja y transmite fácilmente? [A 1] : 349
En contraste con la comprensión moderna de que la radiación de calor y la luz son ambas radiaciones electromagnéticas , Newton consideraba que el calor y la luz eran dos fenómenos diferentes. Creía que las vibraciones de calor se excitaban "cuando un rayo de luz cae sobre la superficie de cualquier cuerpo transparente". [A 1] : 348 Escribió: "No sé qué es este éter", pero si está formado por partículas, entonces deben ser
extremadamente más pequeñas que las del Aire, o incluso que las de la Luz: La excesiva pequeñez de sus Partículas puede contribuir a la grandeza de la fuerza por la cual esas Partículas pueden alejarse unas de otras, y por lo tanto hacer que ese Medio sea excesivamente más raro y elástico que el Aire, y por consecuencia excesivamente menos capaz de resistir los movimientos de los Proyectiles, y excesivamente más capaz de presionar sobre Cuerpos gruesos, al tratar de expandirse. [A 1] : 352
En 1720, James Bradley llevó a cabo una serie de experimentos para intentar medir la paralaje estelar tomando medidas de las estrellas en diferentes épocas del año. A medida que la Tierra se mueve alrededor del Sol, el ángulo aparente con respecto a un punto distante determinado cambia. Al medir esos ángulos, se puede calcular la distancia a la estrella basándose en la circunferencia orbital conocida de la Tierra alrededor del Sol. No logró detectar ninguna paralaje, por lo que estableció un límite inferior para la distancia a las estrellas.
Durante estos experimentos, Bradley también descubrió un efecto relacionado: las posiciones aparentes de las estrellas sí cambiaron a lo largo del año, pero no como se esperaba. En lugar de que el ángulo aparente se maximizara cuando la Tierra estaba en cualquiera de los extremos de su órbita con respecto a la estrella, el ángulo se maximizaba cuando la Tierra estaba en su velocidad lateral más rápida con respecto a la estrella. Este efecto ahora se conoce como aberración estelar .
Bradley explicó este efecto en el contexto de la teoría corpuscular de la luz de Newton, demostrando que el ángulo de aberración se obtenía mediante la simple suma vectorial de la velocidad orbital de la Tierra y la velocidad de los corpúsculos de luz, de la misma manera que las gotas de lluvia que caen verticalmente golpean un objeto en movimiento formando un ángulo. El conocimiento de la velocidad de la Tierra y el ángulo de aberración le permitió estimar la velocidad de la luz.
Explicar la aberración estelar en el contexto de una teoría de la luz basada en el éter se consideraba más problemático. Como la aberración dependía de velocidades relativas y la velocidad medida dependía del movimiento de la Tierra, el éter tenía que permanecer estacionario con respecto a la estrella mientras la Tierra se movía a través de él. Esto significaba que la Tierra podía viajar a través del éter, un medio físico, sin ningún efecto aparente, precisamente el problema que llevó a Newton a rechazar un modelo ondulatorio en primer lugar.
Un siglo después, Thomas Young [a] y Augustin-Jean Fresnel revivieron la teoría ondulatoria de la luz cuando señalaron que la luz podía ser una onda transversal en lugar de una onda longitudinal; la polarización de una onda transversal (como los "lados" de la luz de Newton) podría explicar la birrefringencia, y a raíz de una serie de experimentos sobre difracción, el modelo de partículas de Newton fue finalmente abandonado. Los físicos asumieron, además, que, al igual que las ondas mecánicas, las ondas de luz requerían un medio para propagarse y, por lo tanto, requerían la idea de Huygens de un "gas" de éter que permeaba todo el espacio.
Sin embargo, una onda transversal aparentemente requería que el medio que se propagara se comportara como un sólido, en lugar de como un fluido. La idea de un sólido que no interactuara con otra materia parecía un poco extraña, y Augustin-Louis Cauchy sugirió que tal vez había algún tipo de "arrastre" o "arrastre", pero esto dificultaba la comprensión de las mediciones de aberración. También sugirió que la ausencia de ondas longitudinales sugería que el éter tenía una compresibilidad negativa. George Green señaló que un fluido de ese tipo sería inestable. George Gabriel Stokes se convirtió en un defensor de la interpretación del arrastre, desarrollando un modelo en el que el éter podría, como la brea de pino, ser dilatante (fluido a bajas velocidades y rígido a altas velocidades). Por lo tanto, la Tierra podría moverse a través de él con bastante libertad, pero sería lo suficientemente rígido como para soportar la luz.
En 1856, Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch midieron el valor numérico de la relación entre la unidad de carga electrostática y la unidad de carga electromagnética. Encontraron que la relación entre la unidad de carga electrostática y la unidad de carga electromagnética es la velocidad de la luz c . [7] El año siguiente, Gustav Kirchhoff escribió un artículo en el que demostró que la velocidad de una señal a lo largo de un cable eléctrico era igual a la velocidad de la luz. Estos son los primeros vínculos históricos registrados entre la velocidad de la luz y los fenómenos electromagnéticos.
James Clerk Maxwell comenzó a trabajar en las líneas de fuerza de Michael Faraday . En su artículo de 1861 On Physical Lines of Force, modeló estas líneas de fuerza magnéticas utilizando un mar de vórtices moleculares que consideraba que estaban compuestos en parte de éter y en parte de materia ordinaria. Derivó expresiones para la constante dieléctrica y la permeabilidad magnética en términos de la elasticidad transversal y la densidad de este medio elástico. Luego equiparó la relación entre la constante dieléctrica y la permeabilidad magnética con una versión adecuadamente adaptada del resultado de Weber y Kohlrausch de 1856, y sustituyó este resultado en la ecuación de Newton para la velocidad del sonido. Al obtener un valor cercano a la velocidad de la luz medida por Hippolyte Fizeau , Maxwell concluyó que la luz consiste en ondulaciones del mismo medio que es la causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos. [B 1] [B 2] [B 3] [B 4]
Maxwell, sin embargo, había expresado algunas incertidumbres en torno a la naturaleza precisa de sus vórtices moleculares y, por lo tanto, comenzó a embarcarse en un enfoque puramente dinámico del problema. Escribió otro artículo en 1864, titulado " Una teoría dinámica del campo electromagnético ", en el que los detalles del medio luminífero eran menos explícitos. [A 2] Aunque Maxwell no mencionó explícitamente el mar de vórtices moleculares, su derivación de la ley circuital de Ampère fue trasladada del artículo de 1861 y utilizó un enfoque dinámico que involucraba un movimiento rotacional dentro del campo electromagnético que comparó con la acción de los volantes de inercia. Usando este enfoque para justificar la ecuación de fuerza electromotriz (el precursor de la ecuación de fuerza de Lorentz ), derivó una ecuación de onda a partir de un conjunto de ocho ecuaciones que aparecieron en el artículo y que incluían la ecuación de fuerza electromotriz y la ley circuital de Ampère . [A 2] Maxwell utilizó una vez más los resultados experimentales de Weber y Kohlrausch para demostrar que esta ecuación de onda representaba una onda electromagnética que se propaga a la velocidad de la luz, apoyando así la visión de que la luz es una forma de radiación electromagnética.
Entre 1887 y 1889, Heinrich Hertz demostró experimentalmente que las ondas electromagnéticas son idénticas a las ondas luminosas. Esta unificación de las ondas electromagnéticas y la óptica indicó que existía un único éter luminífero en lugar de muchos tipos diferentes de medios etéreos. [8]
La aparente necesidad de un medio de propagación para tales ondas hertzianas (más tarde llamadas ondas de radio ) se puede ver por el hecho de que consisten en ondas eléctricas ortogonales (E) y magnéticas (B o H). Las ondas E consisten en campos eléctricos dipolares ondulantes, y todos estos dipolos parecían requerir cargas eléctricas separadas y opuestas. La carga eléctrica es una propiedad inextricable de la materia , por lo que parecía que se requería alguna forma de materia para proporcionar la corriente alterna que parecería tener que existir en cualquier punto a lo largo del camino de propagación de la onda. La propagación de ondas en un vacío verdadero implicaría la existencia de campos eléctricos sin carga eléctrica asociada , o de carga eléctrica sin materia asociada. Aunque compatible con las ecuaciones de Maxwell, la inducción electromagnética de campos eléctricos no podía demostrarse en el vacío, porque todos los métodos de detección de campos eléctricos requerían materia cargada eléctricamente.
Además, las ecuaciones de Maxwell requerían que todas las ondas electromagnéticas en el vacío se propagaran a una velocidad fija, c . Como esto solo puede ocurrir en un marco de referencia en la física newtoniana (ver la relatividad galileana ), se planteó la hipótesis del éter como el marco de referencia absoluto y único en el que se cumplen las ecuaciones de Maxwell. Es decir, el éter debe estar "quieto" universalmente, de lo contrario c variaría junto con cualquier variación que pudiera ocurrir en su medio de soporte. El propio Maxwell propuso varios modelos mecánicos del éter basados en ruedas y engranajes, y George Francis FitzGerald incluso construyó un modelo funcional de uno de ellos. Estos modelos tenían que estar de acuerdo con el hecho de que las ondas electromagnéticas son transversales pero nunca longitudinales.
En ese momento, las cualidades mecánicas del éter se habían vuelto cada vez más mágicas: tenía que ser un fluido para llenar el espacio, pero uno que fuera millones de veces más rígido que el acero para soportar las altas frecuencias de las ondas de luz. También tenía que ser sin masa y sin viscosidad , de lo contrario afectaría visiblemente las órbitas de los planetas. Además, parecía que tenía que ser completamente transparente, no dispersivo, incompresible y continuo a una escala muy pequeña. [9] Maxwell escribió en la Encyclopædia Britannica : [A 3]
Los éteres fueron inventados para que los planetas nadaran en ellos, para constituir atmósferas eléctricas y efluvios magnéticos, para transmitir sensaciones de una parte de nuestro cuerpo a otra, y así sucesivamente, hasta que todo el espacio se hubo llenado tres o cuatro veces con éteres. ... El único éter que ha sobrevivido es el que inventó Huygens para explicar la propagación de la luz.
A principios del siglo XX, la teoría del éter estaba en problemas. A finales del siglo XIX se habían llevado a cabo una serie de experimentos cada vez más complejos para intentar detectar el movimiento de la Tierra a través del éter, y no habían logrado hacerlo. Una serie de teorías propuestas de arrastre del éter podrían explicar el resultado nulo, pero eran más complejas y tendían a utilizar coeficientes de apariencia arbitraria y suposiciones físicas. Lorentz y FitzGerald ofrecieron, dentro del marco de la teoría del éter de Lorentz, una solución más elegante a cómo el movimiento de un éter absoluto podría ser indetectable (contracción de longitud), pero si sus ecuaciones eran correctas, la nueva teoría especial de la relatividad (1905) podría generar las mismas matemáticas sin hacer referencia a un éter en absoluto. El éter cayó ante la navaja de Occam . [B 1] [B 2] [B 3] [B 4]
Los dos modelos más importantes, que pretendían describir el movimiento relativo de la Tierra y el éter, fueron el modelo de Augustin-Jean Fresnel (1818) del éter (casi) estacionario que incluía un arrastre parcial del éter determinado por el coeficiente de arrastre de Fresnel, [A 4] y el modelo de George Gabriel Stokes (1844) [A 5] de arrastre completo del éter. La última teoría no se consideró correcta, ya que no era compatible con la aberración de la luz , y las hipótesis auxiliares desarrolladas para explicar este problema no eran convincentes. Además, experimentos posteriores como el efecto Sagnac (1913) también demostraron que este modelo es insostenible. Sin embargo, el experimento más importante que apoya la teoría de Fresnel fue la confirmación experimental de Fizeau en 1851 de la predicción de Fresnel de 1818 de que un medio con índice de refracción n que se mueve con una velocidad v aumentaría la velocidad de la luz que viaja a través del medio en la misma dirección que v de c / n a: [E 1] [E 2]
Es decir, el movimiento añade sólo una fracción de la velocidad del medio a la luz (predicho por Fresnel para que la ley de Snell funcionara en todos los marcos de referencia, en consonancia con la aberración estelar). Esto se interpretó inicialmente como que el medio arrastra al éter junto con una parte de la velocidad del medio, pero esa comprensión se volvió muy problemática después de que Wilhelm Veltmann demostrara que el índice n en la fórmula de Fresnel dependía de la longitud de onda de la luz, de modo que el éter no podía moverse a una velocidad independiente de la longitud de onda. Esto implicaba que debía haber un éter separado para cada una de las infinitas frecuencias.
La principal dificultad de la hipótesis del éter de Fresnel surgió de la yuxtaposición de las dos teorías bien establecidas de la dinámica newtoniana y el electromagnetismo de Maxwell. Bajo una transformación galileana, las ecuaciones de la dinámica newtoniana son invariantes , mientras que las del electromagnetismo no lo son. Básicamente, esto significa que, si bien la física debería permanecer igual en experimentos no acelerados, la luz no seguiría las mismas reglas porque viaja en el "marco universal del éter". Debería ser detectable algún efecto causado por esta diferencia.
Un ejemplo sencillo se refiere al modelo sobre el que se construyó originalmente el éter: el sonido. La velocidad de propagación de las ondas mecánicas, la velocidad del sonido , se define por las propiedades mecánicas del medio. El sonido viaja 4,3 veces más rápido en el agua que en el aire. Esto explica por qué una persona que oye una explosión bajo el agua y sale rápidamente a la superficie puede volver a oírla cuando el sonido que viaja más lento llega a través del aire. De manera similar, un viajero en un avión de pasajeros puede seguir manteniendo una conversación con otro viajero porque el sonido de las palabras viaja junto con el aire dentro de la aeronave. Este efecto es básico para toda la dinámica newtoniana, que dice que todo, desde el sonido hasta la trayectoria de una pelota de béisbol lanzada, debe permanecer igual en el avión volando (al menos a una velocidad constante) como si todavía estuviera en el suelo. Esta es la base de la transformación de Galileo y el concepto de marco de referencia.
Pero no se suponía que esto fuera cierto para la luz, ya que las matemáticas de Maxwell exigían una única velocidad universal para la propagación de la luz, basada, no en condiciones locales, sino en dos propiedades medidas, la permitividad y la permeabilidad del espacio libre, que se suponía que eran las mismas en todo el universo. Si estos números cambiaran, debería haber efectos notables en el cielo; las estrellas en diferentes direcciones tendrían colores diferentes, por ejemplo. [ verificación necesaria ]
Por lo tanto, en cualquier punto debería haber un sistema de coordenadas especial, "en reposo con respecto al éter". Maxwell observó a finales de la década de 1870 que detectar el movimiento con respecto a este éter debería ser bastante fácil: la luz que viaja junto con el movimiento de la Tierra tendría una velocidad diferente a la de la luz que viaja en sentido inverso, ya que ambas se moverían en contra del éter inmóvil. Incluso si el éter tuviera un flujo universal general, los cambios de posición durante el ciclo día/noche, o a lo largo de las estaciones, deberían permitir detectar la deriva.
Aunque el éter es casi estacionario según Fresnel, su teoría predice un resultado positivo de los experimentos de deriva del éter solo hasta el segundo orden en porque el coeficiente de arrastre de Fresnel causaría un resultado negativo de todos los experimentos ópticos capaces de medir efectos hasta el primer orden en . Esto fue confirmado por los siguientes experimentos de primer orden, todos los cuales dieron resultados negativos. La siguiente lista se basa en la descripción de Wilhelm Wien (1898), con cambios y experimentos adicionales según las descripciones de Edmund Taylor Whittaker (1910) y Jakob Laub (1910): [B 5] [B 1] [B 6]
Además de estos experimentos ópticos, también se llevaron a cabo experimentos electrodinámicos de primer orden, que deberían haber llevado a resultados positivos según Fresnel. Sin embargo, Hendrik Antoon Lorentz (1895) modificó la teoría de Fresnel y demostró que estos experimentos también pueden explicarse mediante un éter estacionario: [A 6]
Si bien los experimentos de primer orden se podían explicar mediante un éter estacionario modificado, se esperaba que experimentos de segundo orden más precisos dieran resultados positivos. Sin embargo, no se pudieron encontrar tales resultados.
El famoso experimento de Michelson-Morley comparó la luz de la fuente consigo misma después de ser enviada en diferentes direcciones y buscó cambios en la fase de una manera que pudiera medirse con una precisión extremadamente alta. En este experimento, su objetivo era determinar la velocidad de la Tierra a través del éter. [E 19] [E 20] La publicación de su resultado en 1887, el resultado nulo , fue la primera demostración clara de que algo estaba seriamente mal con la hipótesis del éter (el primer experimento de Michelson en 1881 no fue completamente concluyente). En este caso, el experimento MM produjo un cambio en el patrón de franjas de aproximadamente 0,01 de una franja , correspondiente a una velocidad pequeña. Sin embargo, era incompatible con el efecto esperado del viento del éter debido a la velocidad de la Tierra (variable estacionalmente) que habría requerido un cambio de 0,4 de una franja, y el error fue lo suficientemente pequeño como para que el valor pudiera haber sido de hecho cero. Por lo tanto, la hipótesis nula , la hipótesis de que no había viento del éter, no podía rechazarse. Experimentos más modernos han reducido desde entonces el valor posible a un número muy cercano a cero, aproximadamente 10 −17 .
De lo expuesto hasta ahora se desprende claramente que sería inútil intentar resolver la cuestión del movimiento del sistema solar mediante observaciones de fenómenos ópticos en la superficie de la Tierra.
— A. Michelson y E. Morley. "Sobre el movimiento relativo de la Tierra y el éter luminífero". Philosophical Magazine, pág. 5. vol. 24. núm. 151. diciembre de 1887. [10]
Una serie de experimentos que utilizaron aparatos similares pero cada vez más sofisticados también arrojaron el resultado nulo. Experimentos conceptualmente diferentes que también intentaron detectar el movimiento del éter fueron el experimento de Trouton-Noble (1903), [E 21] cuyo objetivo era detectar efectos de torsión causados por campos electrostáticos, y los experimentos de Rayleigh y Brace (1902, 1904), [E 22] [E 23] para detectar la doble refracción en varios medios. Sin embargo, todos ellos obtuvieron un resultado nulo, como lo hizo previamente Michelson-Morley (MM).
Estos experimentos con el "viento de éter" dieron lugar a una oleada de esfuerzos para "salvar" el éter asignándole propiedades cada vez más complejas, y sólo unos pocos científicos, como Emil Cohn o Alfred Bucherer , consideraron la posibilidad de abandonar la hipótesis del éter. De particular interés fue la posibilidad del "arrastre del éter" o "arrastre del éter", que reduciría la magnitud de la medición, tal vez lo suficiente como para explicar los resultados del experimento de Michelson-Morley. Sin embargo, como se señaló anteriormente, el arrastre del éter ya tenía sus propios problemas, en particular la aberración. Además, los experimentos de interferencia de Lodge (1893, 1897) y Ludwig Zehnder (1895), cuyo objetivo era demostrar si el éter es arrastrado por varias masas giratorias, no mostraron ningún arrastre del éter. [E 24] [E 25] [E 26] Una medición más precisa se realizó en el experimento de Hammar (1935), que realizó un experimento MM completo con una de las "patas" colocada entre dos bloques de plomo masivos. [E 27] Si el éter fuera arrastrado por la masa, entonces este experimento habría podido detectar el arrastre causado por el plomo, pero nuevamente se logró el resultado nulo. La teoría fue modificada nuevamente, esta vez para sugerir que el arrastre solo funcionaba para masas muy grandes o aquellas masas con grandes campos magnéticos. Esto también se demostró que era incorrecto por el experimento de Michelson-Gale-Pearson , que detectó el efecto Sagnac debido a la rotación de la Tierra (ver Hipótesis del arrastre del éter ).
Otro intento completamente diferente de salvar el éter "absoluto" se hizo con la hipótesis de contracción de Lorentz-FitzGerald , que postulaba que todo se veía afectado por el viaje a través del éter. En esta teoría, la razón por la que el experimento de Michelson-Morley "falló" fue que el aparato se contrajo en longitud en la dirección del viaje. Es decir, la luz se estaba viendo afectada de la manera "natural" por su viaje a través del éter como se predijo, pero también lo estaba el propio aparato, cancelando cualquier diferencia cuando se medía. FitzGerald había deducido esta hipótesis de un artículo de Oliver Heaviside . Sin hacer referencia a un éter, esta interpretación física de los efectos relativistas fue compartida por Kennedy y Thorndike en 1932, ya que concluyeron que el brazo del interferómetro se contrae y también la frecuencia de su fuente de luz "casi" varía en la forma requerida por la relatividad. [E 28] [11]
De manera similar, el efecto Sagnac , observado por G. Sagnac en 1913, se vio inmediatamente como totalmente consistente con la relatividad especial. [E 29] [E 30] De hecho, el experimento de Michelson-Gale-Pearson en 1925 fue propuesto específicamente como una prueba para confirmar la teoría de la relatividad, aunque también se reconoció que tales pruebas, que simplemente miden la rotación absoluta, también son consistentes con teorías no relativistas. [12]
Durante la década de 1920, los experimentos iniciados por Michelson fueron repetidos por Dayton Miller , quien proclamó públicamente resultados positivos en varias ocasiones, aunque no eran lo suficientemente grandes como para ser consistentes con ninguna teoría conocida del éter. Sin embargo, otros investigadores no pudieron duplicar los resultados afirmados por Miller. Con el paso de los años, la precisión experimental de tales mediciones se ha incrementado en muchos órdenes de magnitud y no se ha visto ningún rastro de violación de la invariancia de Lorentz. (Un reanálisis posterior de los resultados de Miller concluyó que había subestimado las variaciones debidas a la temperatura).
Desde el experimento de Miller y sus resultados poco claros, se han hecho muchos más intentos experimentales para detectar el éter. Muchos experimentadores han afirmado haber obtenido resultados positivos. Estos resultados no han recibido mucha atención de la ciencia convencional, ya que contradicen una gran cantidad de mediciones de alta precisión, todos cuyos resultados eran consistentes con la relatividad especial. [13]
Entre 1892 y 1904, Hendrik Lorentz desarrolló una teoría electrón-éter, en la que evitó hacer suposiciones sobre el éter. En su modelo, el éter es completamente inmóvil, y con eso quería decir que no podría ponerse en movimiento en las proximidades de la materia ponderable. Al contrario de los modelos electrónicos anteriores, el campo electromagnético del éter aparece como un mediador entre los electrones, y los cambios en este campo no pueden propagarse más rápido que la velocidad de la luz. Un concepto fundamental de la teoría de Lorentz en 1895 fue el "teorema de los estados correspondientes" para términos de orden v/c. [A 6] Este teorema establece que un observador que se mueve con respecto al éter hace las mismas observaciones que un observador en reposo, después de un cambio adecuado de variables. Lorentz se dio cuenta de que era necesario cambiar las variables espacio-temporales al cambiar de marcos e introdujo conceptos como la contracción física de la longitud (1892) [A 7] para explicar el experimento de Michelson-Morley, y el concepto matemático de tiempo local (1895) para explicar la aberración de la luz y el experimento de Fizeau . Esto dio lugar a la formulación de la llamada transformación de Lorentz por Joseph Larmor (1897, 1900) [A 8] [A 9] y Lorentz (1899, 1904), [A 10] [A 11] por la cual (según señaló Larmor) la formulación completa del tiempo local está acompañada por algún tipo de dilatación del tiempo de los electrones que se mueven en el éter. Como señaló más tarde Lorentz (1921, 1928), consideraba el tiempo indicado por los relojes que descansan en el éter como tiempo "verdadero", mientras que el tiempo local era visto por él como una hipótesis de trabajo heurística y un artificio matemático. [A 12] [A 13] Por lo tanto, los autores modernos consideran que el teorema de Lorentz es una transformación matemática de un sistema "real" que reposa en el éter a un sistema "ficticio" en movimiento. [B 7] [B 3] [B 8]
El trabajo de Lorentz fue perfeccionado matemáticamente por Henri Poincaré , quien formuló en muchas ocasiones el Principio de Relatividad e intentó armonizarlo con la electrodinámica. Declaró que la simultaneidad es solo una convención conveniente que depende de la velocidad de la luz, por lo que la constancia de la velocidad de la luz sería un postulado útil para hacer que las leyes de la naturaleza sean lo más simples posible. En 1900 y 1904 [A 14] [A 15] interpretó físicamente la hora local de Lorentz como el resultado de la sincronización del reloj por señales de luz. En junio y julio de 1905 [A 16] [A 17] declaró el principio de relatividad como una ley general de la naturaleza, incluida la gravitación. Corrigió algunos errores de Lorentz y demostró la covarianza de Lorentz de las ecuaciones electromagnéticas. Sin embargo, utilizó la noción de un éter como un medio perfectamente indetectable y distinguió entre tiempo aparente y real, por lo que la mayoría de los historiadores de la ciencia sostienen que no logró inventar la relatividad especial. [B7] [B9] [B3]
La teoría del éter recibió otro golpe cuando la transformación galileana y la dinámica newtoniana fueron modificadas por la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein , dando a las matemáticas de la electrodinámica lorentziana un nuevo contexto "no éter". [A 18] A diferencia de la mayoría de los cambios importantes en el pensamiento científico, la relatividad especial fue adoptada por la comunidad científica notablemente rápido, en consonancia con el comentario posterior de Einstein de que las leyes de la física descritas por la teoría especial estaban "maduras para ser descubiertas" en 1905. [B 10] La temprana defensa de la teoría especial por parte de Max Planck, junto con la elegante formulación que le dio Hermann Minkowski , contribuyó mucho a la rápida aceptación de la relatividad especial entre los científicos en activo.
Einstein basó su teoría en el trabajo anterior de Lorentz. En lugar de sugerir que las propiedades mecánicas de los objetos cambiaban con su movimiento a velocidad constante a través de un éter indetectable, Einstein propuso deducir las características que cualquier teoría exitosa debe poseer para ser consistente con los principios más básicos y firmemente establecidos, independientemente de la existencia de un éter hipotético. Encontró que la transformación de Lorentz debe trascender su conexión con las ecuaciones de Maxwell y debe representar las relaciones fundamentales entre las coordenadas espaciales y temporales de los marcos de referencia inerciales . De esta manera demostró que las leyes de la física permanecían invariantes como lo habían hecho con la transformación galileana, pero que la luz ahora también era invariante.
Con el desarrollo de la teoría especial de la relatividad, desapareció la necesidad de tener en cuenta un único marco de referencia universal , y con ella desapareció la aceptación de la teoría del siglo XIX del éter luminífero. Para Einstein, la transformación de Lorentz implicaba un cambio conceptual: el concepto de posición en el espacio o en el tiempo no era absoluto, sino que podía variar en función de la ubicación y la velocidad del observador.
Además, en otro artículo publicado el mismo mes de 1905, Einstein hizo varias observaciones sobre un problema entonces espinoso, el efecto fotoeléctrico . En este trabajo demostró que la luz puede considerarse como partículas que tienen una "naturaleza ondulatoria". Obviamente, las partículas no necesitan un medio para viajar y, por lo tanto, la luz tampoco. Este fue el primer paso que llevaría al desarrollo completo de la mecánica cuántica , en la que la naturaleza ondulatoria y la naturaleza corpuscular de la luz se consideran ambas como descripciones válidas de la luz. Un resumen del pensamiento de Einstein sobre la hipótesis del éter, la relatividad y los cuantos de luz se puede encontrar en su conferencia de 1909 (originalmente en alemán) "El desarrollo de nuestros puntos de vista sobre la composición y esencia de la radiación". [A 19]
Por su parte, Lorentz siguió utilizando la hipótesis del éter. En sus conferencias de alrededor de 1911, señaló que "lo que dice la teoría de la relatividad... puede llevarse a cabo independientemente de lo que se piense del éter y del tiempo". Comentó que "exista o no el éter, los campos electromagnéticos existen sin duda, y también la energía de las oscilaciones eléctricas", de modo que "si no nos gusta el nombre de 'éter', debemos utilizar otra palabra como gancho para colgar todas estas cosas". Concluyó que "no se puede negar al portador de estos conceptos una cierta sustancialidad". [14] [B 7]
Sin embargo, en 1920, Einstein pronunció un discurso en la Universidad de Leiden en el que comentó: "Una reflexión más cuidadosa nos enseña, sin embargo, que la teoría especial de la relatividad no nos obliga a negar el éter. Podemos suponer la existencia de un éter; sólo que debemos renunciar a atribuirle un estado de movimiento definido, es decir, debemos, por abstracción, quitarle la última característica mecánica que Lorentz le había dejado. Veremos más adelante que este punto de vista, cuya concebibilidad intentaré hacer más inteligible mediante una comparación un tanto vacilante, está justificado por los resultados de la teoría general de la relatividad". Concluyó su discurso diciendo que "según la teoría general de la relatividad, el espacio está dotado de cualidades físicas; en este sentido, por tanto, existe un éter. Según la teoría general de la relatividad, el espacio sin éter es impensable". [15]
En años posteriores hubo algunas personas que abogaron por un enfoque neolorentziano de la física, que es lorentziano en el sentido de postular un estado de reposo absoluto y verdadero que es indetectable y que no desempeña ningún papel en las predicciones de la teoría. (Nunca se han detectado violaciones de la covarianza de Lorentz , a pesar de los arduos esfuerzos). Por lo tanto, estas teorías se parecen a las teorías del éter del siglo XIX solo en el nombre. Por ejemplo, el fundador de la teoría cuántica de campos, Paul Dirac , afirmó en 1951 en un artículo en Nature titulado "¿Existe un éter?" que "estamos más bien obligados a tener un éter". [16] [A 20] Sin embargo, Dirac nunca formuló una teoría completa, por lo que sus especulaciones no encontraron aceptación por parte de la comunidad científica.
Cuando Einstein era todavía estudiante en la Politécnica de Zúrich en 1900, estaba muy interesado en la idea del éter. Su propuesta inicial de tesis de investigación fue realizar un experimento para medir la velocidad a la que se movía la Tierra a través del éter. [17] “La velocidad de una onda es proporcional a la raíz cuadrada de las fuerzas elásticas que causan [su] propagación, e inversamente proporcional a la masa del éter movido por estas fuerzas”. [18]
En 1916, después de que Einstein completara su trabajo fundacional sobre la relatividad general , Lorentz le escribió una carta en la que especulaba que dentro de la relatividad general se había reintroducido el éter. En su respuesta, Einstein escribió que en realidad se puede hablar de un "nuevo éter", pero no se puede hablar de movimiento en relación con ese éter. Einstein profundizó en este tema en algunos artículos semipopulares (1918, 1920, 1924, 1930). [A 21] [A 22] [A 23] [A 24] [B 11] [B 12] [B 13]
En 1918, Einstein aludió públicamente por primera vez a esa nueva definición. [A 21] Luego, a principios de la década de 1920, en una conferencia que fue invitado a dar en la universidad de Lorentz en Leiden, Einstein trató de reconciliar la teoría de la relatividad con el éter lorentziano . En esta conferencia Einstein destacó que la relatividad especial le quitaba la última propiedad mecánica al éter: la inmovilidad. Sin embargo, continuó diciendo que la relatividad especial no necesariamente descarta el éter, porque este último puede usarse para dar realidad física a la aceleración y la rotación. Este concepto fue elaborado completamente dentro de la relatividad general , en la que se atribuyen propiedades físicas (que están parcialmente determinadas por la materia) al espacio, pero no se puede atribuir ninguna sustancia o estado de movimiento a ese "éter" (con lo que quería decir espacio-tiempo curvado). [B 13] [A 22] [19]
En otro artículo de 1924, titulado "Sobre el éter", Einstein argumentó que el espacio absoluto de Newton, en el que la aceleración es absoluta, es el "éter de la mecánica". Y dentro de la teoría electromagnética de Maxwell y Lorentz se puede hablar del "éter de la electrodinámica", en el que el éter posee un estado absoluto de movimiento. En lo que respecta a la relatividad especial, también en esta teoría la aceleración es absoluta, como en la mecánica de Newton. Sin embargo, la diferencia con el éter electromagnético de Maxwell y Lorentz radica en el hecho de que "como ya no era posible hablar, en ningún sentido absoluto, de estados simultáneos en diferentes lugares del éter, el éter se convirtió, por así decirlo, en tetradimensional, ya que no había una manera objetiva de ordenar sus estados solo por el tiempo". Ahora bien, el "éter de la relatividad especial" sigue siendo "absoluto", porque la materia se ve afectada por las propiedades del éter, pero el éter no se ve afectado por la presencia de materia. Esta asimetría se resolvió dentro de la relatividad general. Einstein explicó que el "éter de la relatividad general" no es absoluto, porque la materia está influenciada por el éter, así como la materia influye en la estructura del éter. [A 23]
La única similitud de este concepto relativista del éter con los modelos clásicos del éter reside en la presencia de propiedades físicas en el espacio, que pueden identificarse mediante geodésicas . Como sostienen historiadores como John Stachel , las opiniones de Einstein sobre el "nuevo éter" no están en conflicto con su abandono del éter en 1905. Como señaló el propio Einstein, no se puede atribuir ninguna "sustancia" ni ningún estado de movimiento a ese nuevo éter. El uso que hizo Einstein de la palabra "éter" encontró poco apoyo en la comunidad científica y no jugó ningún papel en el desarrollo continuo de la física moderna. [B 11] [B 12] [B 13]
Notas al pie
¿No es el calor transmitido a través del vacío por la vibración de un medio mucho más sutil que el aire? ¿Y no es este medio el mismo que el medio por el cual la luz se refracta y se refleja, y por cuya vibración la luz comunica calor a los cuerpos y se refleja y transmite fácilmente? [6]
Citas
{{cite web}}: CS1 maint: copia archivada como título ( enlace ) CS1 maint: bot: estado de URL original desconocido ( enlace ), Phys. Z. , 10 , 817–825. (revisión de las teorías del éter, entre otros temas){{cite web}}: CS1 maint: URL no apta ( enlace )
