El éter luminífero o éter [1] ( luminífero que significa "portador de luz") era el medio postulado para la propagación de la luz . [2] Se invocó para explicar la capacidad de la luz, aparentemente basada en ondas, de propagarse a través del espacio vacío (un vacío ), algo que las ondas no deberían poder hacer. La suposición de una 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 tema de considerable debate a lo largo de su historia, ya que requería la existencia de un material invisible e infinito sin interacción con objetos físicos. A medida que se exploraba la naturaleza de la luz, especialmente en el siglo XIX, las cualidades físicas requeridas de un 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 lo reemplazara.
El resultado negativo del experimento de Michelson-Morley (1887) sugirió que el éter no existía, hallazgo que se confirmó en experimentos posteriores durante la década de 1920. Esto llevó a un considerable trabajo teórico para explicar la propagación de la luz sin éter. Un avance importante fue la teoría especial de la relatividad , que podría explicar por qué el experimento no logró ver 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 partícula de la luz.
En el siglo XVII, Robert Boyle propuso la hipótesis del éter. Según Boyle, el éter está formado por partículas sutiles, unas de las cuales explican la ausencia de vacío y las interacciones mecánicas entre los cuerpos, y otras explican fenómenos como el magnetismo (y posiblemente la gravedad), que de otro modo serían inexplicables en la superficie. la base de interacciones puramente mecánicas de cuerpos macroscópicos, "aunque en el éter de los antiguos no se notaba nada más que una sustancia difusa y muy sutil; sin embargo, en la actualidad nos contentamos con admitir que siempre hay en el aire un enjambre de corrientes que se mueven con un rumbo determinado entre el polo norte y el sur". [3]
El Tratado sobre la luz de Christiaan Huygens (1690) planteó la hipótesis de que la luz es una onda que se propaga a través de un éter. Él e Isaac Newton sólo podían imaginar las ondas de luz como longitudinales , propagándose como el sonido y otras ondas mecánicas en los fluidos . Sin embargo, las ondas longitudinales necesariamente tienen una sola forma para una dirección de propagación determinada, en lugar de dos polarizaciones como una onda transversal . Así, las ondas longitudinales no pueden explicar la birrefringencia , en la que dos polarizaciones de la luz son refractadas de manera diferente por un cristal. Además, Newton rechazó la luz como ondas en un medio porque dicho medio tendría que extenderse por todas partes del espacio y, por lo tanto, "perturbaría y retardaría los movimientos de esos grandes Cuerpos" (los planetas y los cometas) y, por lo tanto, "como [la luz] medio] no sirve, obstaculiza el funcionamiento de la naturaleza y la hace languidecer, por lo que no hay evidencia de su existencia y, por lo tanto, debe ser rechazado". [4]
Isaac Newton afirmó que la luz está formada por numerosas partículas pequeñas. Esto puede explicar características como la capacidad de la luz para viajar en línea recta y reflejarse en las superficies. Newton imaginó las partículas de luz como "corpúsculos" no esféricos, con diferentes "lados" que dan lugar a la birrefringencia. Pero la teoría de las 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 (1ª ed. 1704, 4ª ed. 1730) postuló un "medio etéreo" que transmite vibraciones más rápido que la luz, mediante el cual la luz, cuando es alcanzada, se pone en "ataques de fácil reflexión". y fácil Transmisión", que provocaba refracción y difracción. Newton creía que estas vibraciones estaban relacionadas con la radiación de calor:
¿No es el calor de una habitación cálida transportado a través del vacío por las vibraciones de un medio mucho más sutil que el aire, que después de extraer el aire permanece en el vacío? ¿Y no es lo mismo este Medio que aquel Medio por el cual la Luz se refracta y refleja, y por cuyas Vibraciones la Luz comunica Calor a los Cuerpos y la pone en Ataques de fácil Reflexión y Fácil Transmisión? [Un 1] : 349
En contraste con la comprensión moderna de que la radiación de calor y la luz son ambas radiación electromagnética , Newton veía el calor y la luz como dos fenómenos diferentes. Creía que las vibraciones de calor se excitan "cuando un rayo de luz cae sobre la superficie de cualquier cuerpo transparente". [R 1] : 348 Escribió: "No sé qué es este Éter", pero que si está formado por partículas entonces deben ser
extremadamente más pequeñas que las del Aire, o incluso que las de la Luz: la extrema 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 extremadamente más raro y elástico que el Aire. , y por consecuencia mucho menos capaz de resistir los movimientos de los proyectiles, y mucho más capaz de presionar sobre cuerpos burdos, esforzándose por expandirse. [Un 1] : 352
En 1720, James Bradley llevó a cabo una serie de experimentos intentando medir el paralaje estelar tomando medidas de 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. Midiendo esos ángulos, la distancia a la estrella se puede calcular basándose en la circunferencia orbital conocida de la Tierra alrededor del Sol. No pudo detectar ningún paralaje, por lo que puso un límite inferior a la distancia a las estrellas.
Durante estos experimentos, Bradley también descubrió un efecto relacionado; Las posiciones aparentes de las estrellas cambiaron a lo largo del año, pero no como se esperaba. En lugar de maximizar el ángulo aparente cuando la Tierra estaba en cualquier extremo de su órbita con respecto a la estrella, el ángulo se maximizaba cuando la Tierra estaba a su velocidad lateral más rápida con respecto a la estrella. Este efecto se conoce ahora como aberración estelar .
Bradley explicó este efecto en el contexto de la teoría corpuscular de la luz de Newton, mostrando que el ángulo de aberración estaba dado por la simple suma vectorial de la velocidad orbital de la Tierra y la velocidad de los corpúsculos de luz, del mismo modo que las gotas de lluvia que caen verticalmente golpean un objeto en movimiento a un angulo. Conocer la velocidad de la Tierra y el ángulo de aberración le permitió estimar la velocidad de la luz.
Se consideró más problemático explicar la aberración estelar en el contexto de una teoría de la luz basada en el éter. 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 ella. 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) podía explicar la birrefringencia y, tras una serie de experimentos sobre difracción, finalmente se abandonó el modelo de partículas de Newton. Además, los físicos asumieron que, al igual que las ondas mecánicas, las ondas de luz necesitaban un medio para propagarse y, por tanto, requerían la idea de Huygens de un "gas" de éter que impregnaba todo el espacio.
Sin embargo, una onda transversal aparentemente requería que el medio de propagación se comportara como un sólido, en lugar de un fluido. La idea de un sólido que no interactuaba con otra materia parecía un poco extraña, y Augustin-Louis Cauchy sugirió que tal vez había algún tipo de "arrastre" o "arrastre", pero esto hacía que las medidas de aberración fueran difíciles de entender. También sugirió que la ausencia de ondas longitudinales sugería que el éter tenía compresibilidad negativa. George Green señaló que tal fluido sería inestable. George Gabriel Stokes se convirtió en un defensor de la interpretación del arrastre y desarrolló un modelo en el que el éter podría, como la brea de pino, ser dilatante (fluido a velocidades lentas y rígido a velocidades rápidas). Por tanto, la Tierra podría moverse a través de él con bastante libertad, pero sería lo suficientemente rígida 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. Descubrieron que la relación entre la unidad de carga electrostática y la unidad de carga electromagnética es la velocidad de la luz c . [7] Al año siguiente, Gustav Kirchhoff escribió un artículo en el que demostraba 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 Sobre líneas físicas de fuerza, modeló estas líneas de fuerza magnéticas utilizando un mar de vórtices moleculares que consideraba que estaban hechos 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 eso 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 de circuitos de Ampère se trasladó del artículo de 1861 y utilizó un enfoque dinámico que implicaba movimiento de rotación dentro del campo electromagnético que comparó con la acción de los volantes. . Utilizando este enfoque para justificar la ecuación de la fuerza electromotriz (la precursora de la ecuación de la 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 la fuerza electromotriz y la ley del circuito 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 opinión de que la luz es una forma de radiación electromagnética.
En 1887-1889, Heinrich Hertz demostró experimentalmente que las ondas electromagnéticas son idénticas a las ondas de luz. Esta unificación de ondas electromagnéticas y ópticas indicó que había un único éter luminífero en lugar de muchos tipos diferentes de medios de éter. [8]
La aparente necesidad de un medio de propagación para tales ondas hertzianas (más tarde llamadas ondas de radio ) puede verse por el hecho de que constan de ondas eléctricas (E) y magnéticas (B o H) ortogonales. Las ondas E consisten en campos eléctricos dipolares ondulantes, y todos esos dipolos parecían requerir cargas eléctricas separadas y opuestas. La carga eléctrica es una propiedad inextricable de la materia , por lo que parecía que se necesitaba alguna forma de materia para proporcionar la corriente alterna que parecería tener que existir en cualquier punto a lo largo de la trayectoria de propagación de la onda. La propagación de ondas en un verdadero vacío 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 pudo 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 sólo puede ocurrir en un marco de referencia en la física newtoniana (ver Relatividad galileana ), se planteó la hipótesis de que el éter es el marco de referencia absoluto y único en el que se mantienen las ecuaciones de Maxwell. Es decir, el éter debe estar "inmóvil" 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 de éter basados en ruedas y engranajes, y George Francis FitzGerald incluso construyó un modelo funcional de uno de ellos. Estos modelos debían coincidir con el hecho de que las ondas electromagnéticas son transversales pero nunca longitudinales .
En este punto, las cualidades mecánicas del éter se habían vuelto cada vez más mágicas: tenía que ser un fluido para llenar el espacio, pero que fuera millones de veces más rígido que el acero para soportar las altas frecuencias de las ondas de luz. Además tenía que carecer de masa y 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 muy pequeña escala. [9] Maxwell escribió en la Encyclopædia Britannica : [A 3]
Los éteres se inventaron 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 llenó 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 llevó a cabo una serie de experimentos cada vez más complejos para tratar de detectar el movimiento de la Tierra a través del éter, pero no se logró. Una variedad de teorías propuestas sobre el arrastre del éter podrían explicar el resultado nulo, pero eran más complejas y tendían a utilizar coeficientes y suposiciones físicas de apariencia arbitraria. 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 podía ser indetectable (contracción de longitud), pero si sus ecuaciones fueran correctas, la nueva teoría especial de la relatividad (1905) podría generar la 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, cuyo objetivo era 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 modelo de George Gabriel Stokes (1844) [A 5] de arrastre completo de éter. Esta 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 respalda 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 moviera 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 (predicha por Fresnel para que la ley de Snell funcione en todos los marcos de referencia, en consonancia con la aberración estelar). Inicialmente se interpretó que esto significaba que el medio arrastra al éter con una parte de la velocidad del medio, pero esa comprensión se volvió muy problemática después de que Wilhelm Veltmann demostró que el índice n en la fórmula de Fresnel dependía de la longitud de onda de la luz, de modo que el éter no podría 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 dificultad clave con 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 seguir siendo la misma en experimentos no acelerados, la luz no seguiría las mismas reglas porque viaja en el "marco de éter" universal. Algún efecto causado por esta diferencia debería ser detectable.
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 , está definida 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 escucha una explosión bajo el agua y sale rápidamente a la superficie puede escucharla nuevamente cuando el sonido que viaja más lento llega a través del aire. De manera similar, un viajero en un avión aún puede mantener una conversación con otro viajero porque el sonido de las palabras viaja junto con el aire dentro del avión. Este efecto es básico en 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 que vuela (al menos a una velocidad constante) como si todavía estuviera sentado en el suelo. Ésta es la base de la transformación galileana y del concepto de marco de referencia.
Pero no se suponía que ocurriera lo mismo con 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 suponían. ser el mismo en todo el universo. Si estos números cambiaran, debería haber efectos notables en el cielo; Por ejemplo, las estrellas en diferentes direcciones tendrían diferentes colores. [ se necesita verificación ]
Por tanto, en cualquier punto debería haber un sistema de coordenadas especial, "en reposo con respecto al éter". Maxwell señaló a finales de la década de 1870 que detectar movimiento en relación con 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 hacia atrás, ya que ambas se moverían contra el 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 sólo hasta el segundo orden porque el coeficiente de arrastre de Fresnel causaría un resultado negativo de todos los experimentos ópticos capaces de medir efectos hasta el primer orden . 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 según Fresnel deberían haber dado resultados positivos. Sin embargo, Hendrik Antoon Lorentz (1895) modificó la teoría de Fresnel y demostró que esos experimentos también pueden explicarse mediante un éter estacionario: [A 6]
Mientras que los experimentos de primer orden podían explicarse 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 fuente de luz consigo misma después de haber sido enviada en diferentes direcciones, buscando cambios de 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 andaba seriamente mal con la hipótesis del éter (el primer experimento de Michelson en 1881 no fue del todo concluyente). En este caso, el experimento MM produjo un desplazamiento del patrón de franjas de aproximadamente 0,01 de franja , correspondiente a una velocidad pequeña. Sin embargo, era incompatible con el efecto esperado del viento de éter debido a la velocidad de la Tierra (que varía estacionalmente), que habría requerido un desplazamiento de 0,4 franjas, y el error era lo suficientemente pequeño como para que el valor pudiera haber sido cero. Por tanto, no se podía rechazar la hipótesis nula , la hipótesis de que no hubo viento de éter. Desde entonces, experimentos más modernos han reducido el valor posible a un número muy cercano a cero, alrededor de 10 −17 .
De lo que se ha dicho hasta ahora resulta obvio 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". Revista Filosófica S. 5. Vol. 24. N° 151. Diciembre de 1887. [10]
Una serie de experimentos que utilizaron aparatos similares pero cada vez más sofisticados también arrojaron resultados nulos. 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 doble refracción en diversos medios. Sin embargo, todos obtuvieron un resultado nulo, al igual que anteriormente lo hizo Michelson-Morley (MM).
Estos experimentos "éter-viento" llevaron a una oleada de esfuerzos para "salvar" el éter asignándole propiedades cada vez más complejas, mientras que sólo unos pocos científicos, como Emil Cohn o Alfred Bucherer , consideraban la posibilidad del abandono de la hipótesis del éter. De particular interés fue la posibilidad de "arrastre de éter" o "arrastre de éter", que reduciría la magnitud de la medición, tal vez lo suficiente para explicar los resultados del experimento de Michelson-Morley. Sin embargo, como se señaló anteriormente, el arrastre de éter ya tenía sus propios problemas, en particular la aberración. Además, los experimentos de interferencia de Lodge (1893, 1897) y Ludwig Zehnder (1895), destinados a demostrar si el éter es arrastrado por diversas masas giratorias, no mostraron arrastre del éter. [E 24] [E 25] [E 26] Se realizó una medición más precisa en el experimento de Hammar (1935), que realizó un experimento MM completo con una de las "patas" colocada entre dos enormes bloques de plomo. [E 27] Si el éter fue arrastrado por 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. El experimento de Michelson-Gale-Pearson también demostró que esto era incorrecto , 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 realizó con la hipótesis de la 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 de viaje. Es decir, la luz estaba siendo afectada de manera "natural" por su viaje a través del éter como se predijo, pero también lo estaba el aparato mismo, anulando cualquier diferencia cuando se midió. FitzGerald había deducido esta hipótesis de un artículo de Oliver Heaviside . Sin hacer referencia a un éter, Kennedy y Thorndike compartieron esta interpretación física de los efectos relativistas en 1932 cuando concluyeron que el brazo del interferómetro se contrae y también la frecuencia de su fuente de luz varía "casi" en la forma requerida por la relatividad. [ES 28] [11]
De manera similar, se vio inmediatamente que el efecto Sagnac , observado por G. Sagnac en 1913, era totalmente coherente 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. A lo largo de los años, la precisión experimental de tales mediciones ha aumentado en muchos órdenes de magnitud y no se ha observado ningún rastro de violación de la invariancia de Lorentz. (Un nuevo análisis 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, ha habido muchos más intentos experimentales de detectar el éter. Muchos experimentadores han afirmado resultados positivos. Estos resultados no han atraído 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 del electrón-éter, en la que evitaba hacer suposiciones sobre el éter. En su modelo, el éter está completamente inmóvil, y con ello quiso decir que no puede ponerse en movimiento en las proximidades de materia ponderable. A diferencia de los modelos electrónicos anteriores, el campo electromagnético del éter aparece como 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 realiza las mismas observaciones que un observador en reposo, después de un cambio adecuado de variables. Lorentz notó que era necesario cambiar las variables espacio-temporales al cambiar de marco 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] mediante la cual (fue observado por Larmor), la formulación completa del tiempo local va acompañada de una especie de dilatación temporal de los electrones que se mueven en el éter. Como señaló más tarde Lorentz (1921, 1928), consideraba la hora indicada por los relojes que descansaban en el éter como hora "verdadera", mientras que la hora local era vista por él como una hipótesis de trabajo heurística y un artificio matemático. [A 12] [A 13] Por lo tanto, los autores modernos ven el teorema de Lorentz como una transformación matemática de un sistema "real" que descansa 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 la Relatividad y trató de armonizarlo con la electrodinámica. Declaró que la simultaneidad era sólo 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 simplificar al máximo las leyes de la naturaleza. En 1900 y 1904 [A 14] [A 15] interpretó físicamente la hora local de Lorentz como resultado de la sincronización del reloj mediante señales luminosas. En junio y julio de 1905 [A 16] [A 17] declaró el principio de la 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 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. [B 7] [B 9] [B 3]
La teoría del éter recibió otro golpe cuando la transformación galileana y la dinámica newtoniana fueron modificadas por la teoría especial de la relatividad 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 , contribuyeron en gran medida 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 debe poseer cualquier teoría exitosa para ser consistente con los principios más básicos y firmemente establecidos, independientemente de la existencia de un hipotético éter. 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 sistemas de referencia inerciales . De esta manera demostró que las leyes de la física permanecían invariantes como lo habían sido con la transformación galileana, pero que ahora la luz también era invariante.
Con el desarrollo de la teoría especial de la relatividad, la necesidad de dar cuenta de un único marco de referencia universal había desaparecido, y con ella desapareció la aceptación de la teoría del siglo XIX sobre un éter luminífero. Para Einstein, la transformación de Lorentz implicó un cambio conceptual: que el concepto de posición en el espacio o en el tiempo no era absoluto, sino que podía diferir dependiendo 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 tanto, la luz tampoco. Este fue el primer paso que conduciría al pleno desarrollo de la mecánica cuántica , en la que la naturaleza ondulatoria y la naturaleza partícula de la luz se consideran 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 alemana) "El desarrollo de nuestras opiniones sobre la composición y esencia de la radiación". [A 19]
Lorentz, por su parte, siguió utilizando la hipótesis del éter. En sus conferencias de alrededor de 1911, señaló que lo que "la teoría de la relatividad tiene que decir... puede llevarse a cabo independientemente de lo que uno piense sobre el éter y el tiempo". Comentó que "exista o no el éter, los campos electromagnéticos ciertamente existen, y también la energía de las oscilaciones eléctricas" por lo que, "si no nos gusta el nombre de 'éter', debemos usar otra palabra como una clavija 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: "Sin embargo, una reflexión más cuidadosa nos enseña que la teoría especial de la relatividad no nos obliga a negar el éter. Podemos suponer la existencia de un éter; sólo debemos renunciar a atribuirle un estado de movimiento definido, es decir, debemos tomarle por abstracción la última característica mecánica que Lorentz aún le había dejado. Veremos más adelante que este punto de vista, cuya concebibilidad me esforzaré en seguida por hacer más inteligible mediante una comparación algo vacilante, se justifica 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, ha habido algunas personas que defendieron 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 denodados esfuerzos). Por lo tanto, estas teorías se parecen a las teorías del éter del siglo XIX sólo de 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 "nos vemos bastante obligados a tener 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. Por el contrario, a principios del siglo XXI, el Dr. Charles Kenneth Thornhill esbozó una cosmología etérea no singular [17] en la que identificó la materia oscura como éter, un medio que impregna el universo, a través del cual se transmiten todas las ondas electromagnéticas y fuerzas gravitacionales. se propagan.
Cuando Einstein todavía era estudiante en el Politécnico de Zurich en 1900, estaba muy interesado en la idea del éter. Su propuesta inicial de tesis de investigación fue hacer un experimento para medir qué tan rápido se movía la Tierra a través del éter. [18] "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". [19]
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. Esto fue desarrollado más detalladamente por Einstein 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 intentó conciliar la teoría de la relatividad con el éter lorentziano . En esta conferencia, Einstein destacó que la relatividad especial eliminó la última propiedad mecánica del éter: la inmovilidad. Sin embargo, continuó, la relatividad especial no excluye necesariamente el éter, porque este último puede usarse para dar realidad física a la aceleración y la rotación. Este concepto fue plenamente elaborado dentro de la relatividad general , en la que se atribuyen al espacio propiedades físicas (que están parcialmente determinadas por la materia), pero a ese "éter" (con lo que se refería al espacio-tiempo curvo) no se le puede atribuir ninguna sustancia o estado de movimiento. ). [B 13] [A 22] [20]
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 de movimiento absoluto. En cuanto 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 cuatridimensional ya que no había una manera objetiva de ordenar sus estados sólo 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, del mismo modo que 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 radica 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. 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 a pie de página
¿No se transmite el calor a través del vacío mediante la vibración de un medio mucho más sutil que el aire? ¿Y no es este medio lo mismo que aquel medio por el cual la luz se refracta y refleja, y por cuya vibración la luz comunica calor a los cuerpos y la pone en ataques de fácil reflexión y fácil transmisión? [6]
Citas
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