En el siglo XIX se discutió ampliamente la teoría del éter luminífero como medio hipotético para la propagación de ondas luminosas. La hipótesis del éter surgió porque los físicos de esa época no podían concebir la propagación de ondas de luz sin un medio físico en el que hacerlo. Cuando los experimentos no lograron detectar el hipotético éter luminífero, los físicos concibieron explicaciones para el fracaso de los experimentos que preservaron la existencia del hipotético éter.
La hipótesis del arrastre del éter propuso que el éter luminífero es arrastrado o arrastrado por la materia en movimiento. Según una versión de esta hipótesis, no existe ningún movimiento relativo entre la Tierra y el éter. Según otra versión, la Tierra se mueve en relación con el éter y la velocidad medida de la luz debería depender de la velocidad de este movimiento ("viento de éter"), que debería poder medirse con instrumentos en reposo sobre la superficie de la Tierra. En 1818, Augustin-Jean Fresnel propuso que el éter está parcialmente arrastrado por la materia. En 1845, George Stokes propuso que el éter está completamente arrastrado dentro o en las proximidades de la materia.
Aunque la teoría casi estacionaria de Fresnel fue aparentemente confirmada por el experimento de Fizeau (1851), la teoría de Stokes fue aparentemente confirmada por el experimento de Michelson-Morley (1881, 1887). Hendrik Lorentz resolvió esta situación contradictoria en su propia teoría del éter , que desterró cualquier forma de arrastre del éter. La teoría especial de la relatividad de Albert Einstein (1905) excluye el éter como medio mecánico. [1] [2] [3]
En 1810, François Arago se dio cuenta de que las variaciones en el índice de refracción de una sustancia predichas por la teoría corpuscular proporcionarían un método útil para medir la velocidad de la luz. Estas predicciones surgieron porque el índice de refracción de una sustancia como el vidrio depende de la relación entre las velocidades de la luz en el aire y en el vidrio. Arago intentó medir en qué medida los corpúsculos de luz serían refractados por un prisma de vidrio situado en la parte frontal de un telescopio. Esperaba que hubiera una variedad de diferentes ángulos de refracción debido a la variedad de velocidades diferentes de las estrellas y al movimiento de la Tierra en diferentes momentos del día y del año. Contrariamente a esta expectativa, descubrió que no había diferencia en la refracción entre estrellas, entre horas del día o entre estaciones. Todo lo que Arago observó fue una aberración estelar ordinaria . [4]
En 1818, Augustin-Jean Fresnel examinó los resultados de Arago utilizando una teoría ondulatoria de la luz. Se dio cuenta de que incluso si la luz se transmitiera como ondas, el índice de refracción de la interfaz vidrio-aire debería haber variado a medida que el vidrio se movía a través del éter para golpear las ondas entrantes a diferentes velocidades cuando la Tierra giraba y cambiaban las estaciones. Fresnel propuso que el prisma de vidrio llevaría consigo algo de éter de modo que "... el éter esté en exceso dentro del prisma". [5] Se dio cuenta de que la velocidad de propagación de las ondas depende de la densidad del medio y propuso que la velocidad de la luz en el prisma debería ajustarse mediante una cantidad de "arrastre". La velocidad de la luz en el vidrio sin ningún ajuste viene dada por:
El ajuste de arrastre viene dado por:
Donde es la densidad del éter en el ambiente, es la densidad del éter en el vidrio y es la velocidad del prisma con respecto al éter.
El factor se puede escribir como porque el índice de refracción, n, dependería de la densidad del éter. Esto se conoce como coeficiente de resistencia de Fresnel . La velocidad de la luz en el vidrio viene dada por:
Esta corrección logró explicar el resultado nulo del experimento de Arago. Introduce el concepto de un éter en gran medida estacionario que es arrastrado por sustancias como el vidrio pero no por el aire. Su éxito favoreció la teoría ondulatoria de la luz frente a la anterior teoría corpuscular.
El coeficiente de arrastre de Fresnel fue confirmado directamente por el experimento de Fizeau y sus repeticiones. En general, con ayuda de este coeficiente se puede explicar el resultado negativo de todos los experimentos ópticos de deriva del éter lo suficientemente sensibles para detectar efectos de primer orden (como los experimentos de Arago, Fizeau, Hoek, Airy, Mascart ). La noción de un éter (casi) estacionario también es consistente con la aberración estelar . Sin embargo, esta teoría se considera refutada por las siguientes razones: [1] [2] [3]
Para George Stokes (1845), el modelo de un éter que no se ve afectado en absoluto o sólo parcialmente por la materia en movimiento era antinatural y poco convincente, por lo que supuso que el éter es completamente arrastrado dentro y en las proximidades de la materia, parcialmente arrastrado a distancias mayores, y permanece en reposo en el espacio libre. [7] [8] [9] [10] También Heinrich Rudolf Hertz (1890) incorporó un modelo completo de arrastre de éter dentro de su elaboración de la teoría del electromagnetismo de Maxwell, para ponerla de acuerdo con el principio de relatividad de Galileo . Es decir, si se supone que el éter está en reposo dentro de la materia en un marco de referencia, la transformación galileana da como resultado que la materia y el éter (arrastrado) viajan con la misma velocidad en otro marco de referencia. [1]
El arrastre total del éter puede explicar el resultado negativo de todos los experimentos de deriva del éter (como el experimento de Michelson-Morley). Sin embargo, esta teoría se considera errónea por las siguientes razones: [1] [11]
Stokes ya en 1845 introdujo algunas suposiciones adicionales para armonizar su teoría con los resultados experimentales. Para explicar la aberración, asumió que su éter incompresible también es irrotacional, lo que daría, en relación con su modelo específico de arrastre del éter, la ley correcta de la aberración. [7] Para reproducir el coeficiente de arrastre de Fresnel (y por lo tanto para explicar el experimento de Fizeau), argumentó que el éter es completamente arrastrado dentro de un medio, es decir, el éter se condensa cuando entra en el medio y se enrarece cuando sale de él nuevamente, lo que modifica la velocidad del éter así como la de la luz y conduce a la misma expresión que la de Fresnel. [8]
Aunque la teoría de la aberración de Stokes se consideró viable durante algún tiempo, tuvo que abandonarse porque Lorentz argumentó en 1886 que cuando el éter es incompresible como en la teoría de Stokes, y si el éter tiene el mismo componente normal de velocidad que el Tierra, no tendría la misma componente tangencial de velocidad, por lo que todas las condiciones planteadas por Stokes no se pueden cumplir al mismo tiempo. [14]
Theodor des Coudres y Wilhelm Wien (1900) propusieron otra versión del modelo de Stokes . Supusieron que el arrastre del éter es proporcional a la masa gravitacional. Es decir, el éter es arrastrado completamente por la Tierra, y sólo parcialmente arrastrado por objetos más pequeños de la Tierra. [15] Y para salvar la explicación de Stokes sobre la aberración, Max Planck (1899) argumentó en una carta a Lorentz que el éter podría no ser incompresible, sino condensarse por gravitación en las proximidades de la Tierra, y esto daría las condiciones necesarias para la teoría de Stokes ("teoría de Stokes-Planck"). Comparado con los experimentos anteriores, este modelo puede explicar los resultados positivos de los experimentos de Fizeau y Sagnac, porque la pequeña masa de esos instrumentos sólo puede arrastrar parcialmente (o nada) el éter, y por la misma razón explica la resultado negativo de los experimentos de Lodge. También es compatible con el experimento de Hammar y Michelson-Morley, ya que el éter es completamente arrastrado por la gran masa de la Tierra.
Sin embargo, esta teoría fue directamente refutada por el experimento de Michelson-Gale-Pearson (1925). La gran diferencia de este experimento con respecto a los experimentos habituales de Sagnac es el hecho de que se midió la rotación de la Tierra. Si el éter es completamente arrastrado por el campo gravitacional de la Tierra, se puede esperar un resultado negativo, pero el resultado fue positivo. [11]
Y desde el punto de vista teórico, Hendrik Antoon Lorentz señaló que la hipótesis de Stokes-Planck requiere que la velocidad de la luz no se vea afectada por un aumento de 50.000 veces la densidad del éter. De modo que Lorentz y el propio Planck rechazaron esta hipótesis por considerarla improbable. [1] [16]
Como Lorentz se vio obligado a abandonar la hipótesis de Stokes, eligió el modelo de Fresnel como punto de partida. [ cita necesaria ] Pudo reproducir el coeficiente de arrastre de Fresnel en 1892, aunque en la teoría de Lorentz representa una modificación de la propagación de las ondas de luz, no el resultado de ningún arrastre de éter. Por tanto, el éter de Lorentz es completamente estacionario o inmóvil. Sin embargo, esto conduce al mismo problema que ya aquejaba al modelo de Fresnel: estaba en contradicción con el experimento de Michelson-Morley. Por tanto, George Francis FitzGerald (1889) y Lorentz (1892) introdujeron la contracción de longitud , es decir, todos los cuerpos se contraen en la línea de movimiento por el factor . Además, en la teoría de Lorentz la transformación galileana fue sustituida por la transformación de Lorentz . [17]
Sin embargo, la acumulación de hipótesis para rescatar el concepto de éter estacionario se consideró muy artificial. Así, fue Albert Einstein (1905), quien reconoció que sólo es necesario asumir el principio de la relatividad y la constancia de la velocidad de la luz en todos los sistemas de referencia inerciales , para desarrollar la teoría de la relatividad especial y derivar La transformación completa de Lorentz. Todo esto se hizo sin utilizar el concepto de éter estacionario. [18]
Como demostró Max von Laue (1907), la relatividad especial predice el resultado del experimento de Fizeau a partir del teorema de la suma de velocidades sin necesidad de éter. Si es la velocidad de la luz relativa al aparato de Fizeau y es la velocidad de la luz relativa al agua y es la velocidad del agua:
el cual, si v/c es pequeño, se puede expandir usando la expansión binomial para convertirse en:
Esto es idéntico a la ecuación de Fresnel . [19]
Maurice Allais propuso en 1959 una hipótesis del éter que implicaba una velocidad del viento de unos 8 km/s, muy inferior al valor estándar de 30 km/s sostenido por los científicos del siglo XIX y compatible con los experimentos de Michelson-Morley y Dayton Miller. , [20] así como sus propios experimentos sobre el controvertido efecto Allais impredecible por la relatividad general. [21] [22] A pesar de abogar por la necesidad de otra teoría de la gravedad , [23] su hipótesis no ganó una tracción significativa entre los científicos convencionales.
En la física moderna (que se basa en la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica ), el éter como "sustancia material" en "estado de movimiento" ya no desempeña ningún papel. Por lo tanto, la comunidad científica ya no considera significativas las preguntas sobre una posible "arrastre de éter". Sin embargo, sí existe el arrastre de fotogramas como lo predice la relatividad general , en el que masas en rotación distorsionan la métrica del espacio-tiempo , provocando una precesión de la órbita de las partículas cercanas. Pero este efecto es mucho más débil que cualquier "arrastre de éter" analizado en este artículo.