En la historia de la física , las teorías del éter (o teorías del éter ) propusieron la existencia de un medio, una sustancia o campo que llena el espacio como medio de transmisión para la propagación de fuerzas electromagnéticas o gravitacionales. Desde el desarrollo de la relatividad especial , las teorías que utilizan un éter sustancial cayeron en desuso en la física moderna , y ahora son reemplazadas por modelos más abstractos.
Este éter de la época moderna temprana tiene poco en común con el éter de los elementos clásicos, de donde se tomó prestado el nombre. Las diversas teorías encarnan las diversas concepciones de este medio y sustancia .
Isaac Newton sugiere la existencia de un éter en el Tercer Libro de Óptica (1.ª ed. 1704; 2.ª ed. 1718): "¿Acaso este medio etéreo, al pasar del agua, el vidrio, el cristal y otros cuerpos compactos y densos a espacios vacíos, no se vuelve cada vez más denso gradualmente, y por ese medio refracta los rayos de luz no en un punto, sino doblándolos gradualmente en líneas curvas? ... ¿No es este medio mucho más raro dentro de los cuerpos densos del Sol, las estrellas, los planetas y los cometas, que en el espacio celestial vacío entre ellos? Y al pasar de ellos a grandes distancias, ¿no se vuelve cada vez más denso perpetuamente, y por lo tanto causa la gravedad de esos grandes cuerpos entre sí, y de sus partes hacia los cuerpos; cada cuerpo tratando de ir desde las partes más densas del medio hacia las más raras?" [1]
En el siglo XIX, el éter luminífero (o éter), es decir, el éter portador de luz, era un medio teórico para la propagación de la luz. James Clerk Maxwell desarrolló un modelo para explicar los fenómenos eléctricos y magnéticos utilizando el éter, un modelo que condujo a lo que ahora se denominan ecuaciones de Maxwell y a la comprensión de que la luz es una onda electromagnética. [2] Más tarde, a finales del siglo XIX se llevaron a cabo una serie de experimentos cada vez más cuidadosos, incluido el experimento de Michelson-Morley , para intentar detectar el movimiento de la Tierra a través del éter, pero no se detectó ningún arrastre. Una serie de teorías propuestas sobre el arrastre del éter podrían explicar el resultado nulo, pero eran más complejas y tendían a utilizar coeficientes de aspecto arbitrario y suposiciones físicas. Joseph Larmor analizó el éter en términos de un campo magnético en movimiento causado por la aceleración de los electrones.
Hendrik Lorentz y George Francis FitzGerald ofrecieron, en el marco de la teoría del éter de Lorentz , una explicación de cómo el experimento de Michelson-Morley podría haber fallado en detectar movimiento a través del éter. Sin embargo, la teoría inicial de Lorentz predijo que el movimiento a través del éter crearía un efecto de birrefringencia , que Rayleigh y Brace probaron y no pudieron encontrar ( Experimentos de Rayleigh y Brace ). Todos esos resultados requirieron la aplicación completa de la transformación de Lorentz por Lorentz y Joseph Larmor en 1904. [3] [4] [5] [6] Resumiendo los resultados de Michelson, Rayleigh y otros, Hermann Weyl escribiría más tarde que el éter se había "refugiado en la tierra de las sombras en un esfuerzo final por eludir la búsqueda inquisitiva del físico". [7] Además de poseer más claridad conceptual, la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein de 1905 podía explicar todos los resultados experimentales sin hacer referencia a un éter en absoluto. Esto finalmente llevó a la mayoría de los físicos a concluir que la noción anterior de un éter luminífero no era un concepto útil.
Desde el siglo XVI hasta finales del siglo XIX, los efectos gravitacionales también se habían modelado utilizando un éter. En una nota al final de su obra "Una teoría dinámica del campo electromagnético", Maxwell discutió un modelo para la gravedad basado en un medio similar al que utilizó para el campo electromagnético. Concluyó que el medio tendría "una enorme energía intrínseca" y necesariamente tendría que disminuir en áreas de masa. No podía "entender de qué manera un medio puede poseer tales propiedades", por lo que no investigó más. [8] La formulación más conocida es la teoría de la gravitación de Le Sage , aunque Isaac Newton , Bernhard Riemann y Lord Kelvin consideraron variaciones de la idea . Por ejemplo, Kelvin publicó una nota sobre el modelo de Le Sage en 1873, en la que encontró que la propuesta de Le Sage era termodinámicamente defectuosa y sugirió una posible forma de salvarla utilizando la entonces popular teoría del vórtice del átomo . Kelvin concluyó más tarde:
Esta teoría cinética de la materia es un sueño, y no puede ser otra cosa hasta que pueda explicar la afinidad química, la electricidad, el magnetismo, la gravitación y la inercia de las masas (es decir, las multitudes) de los vórtices. La teoría de Le Sage podría dar una explicación de la gravedad y de su relación con la inercia de las masas, según la teoría de los vórtices, si no fuera por la eolotropía esencial de los cristales y la isotropía aparentemente perfecta de la gravedad. No se ha descubierto, ni se ha imaginado que se pueda descubrir, ningún indicio que indique un camino que pueda llevar a superar esta dificultad o a hacerla girar en torno a ella. [9]
Ninguno de esos conceptos se considera viable hoy en día para la comunidad científica.
Albert Einstein utilizó a veces la palabra éter para el campo gravitatorio dentro de la relatividad general , pero la única similitud de este concepto relativista de éter con los modelos clásicos del éter radica en la presencia de propiedades físicas en el espacio, que pueden identificarse mediante geodésicas . Como argumentan 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. [10] 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. [11] [12]
La mecánica cuántica se puede utilizar para describir el espacio-tiempo como no vacío en escalas extremadamente pequeñas, fluctuante y generador de pares de partículas que aparecen y desaparecen increíblemente rápido. Algunos, como Paul Dirac [13], han sugerido que este vacío cuántico puede ser el equivalente en la física moderna de un éter particulado. Sin embargo, la hipótesis del éter de Dirac estuvo motivada por su insatisfacción con la electrodinámica cuántica , y nunca obtuvo el apoyo de la comunidad científica convencional. [14]
El físico Robert B. Laughlin escribió:
Resulta irónico que la obra más creativa de Einstein, la teoría general de la relatividad, se reduzca a conceptualizar el espacio como un medio cuando su premisa original [en la relatividad especial] era que no existía tal medio [...] La palabra "éter" tiene connotaciones extremadamente negativas en la física teórica debido a su asociación anterior con la oposición a la relatividad. Esto es desafortunado porque, despojada de estas connotaciones, captura bastante bien la forma en que la mayoría de los físicos realmente piensan sobre el vacío [...]. En realidad, la relatividad no dice nada sobre la existencia o no existencia de materia que impregna el universo, solo que cualquier materia de ese tipo debe tener simetría relativista [...] Resulta que esa materia existe. Aproximadamente en la época en que la relatividad estaba siendo aceptada, los estudios de la radiactividad comenzaron a mostrar que el vacío del espacio tenía una estructura espectroscópica similar a la de los sólidos y fluidos cuánticos ordinarios. Estudios posteriores con grandes aceleradores de partículas nos han llevado ahora a comprender que el espacio se parece más a un trozo de vidrio de ventana que al vacío newtoniano ideal. Está lleno de “cosas” que normalmente son transparentes pero que se pueden hacer visibles si se golpea con suficiente fuerza como para arrancar una parte. El concepto moderno del vacío del espacio, confirmado cada día por los experimentos, es un éter relativista. Pero no lo llamamos así porque no está aceptado (es un tabú). [15]
Louis de Broglie afirmó: "Cualquier partícula, incluso aislada, debe ser imaginada como en continuo "contacto energético" con un medio oculto". [16] [17] Sin embargo, como señaló de Broglie, este medio "no podría servir como un medio de referencia universal, ya que esto sería contrario a la teoría de la relatividad". [16]
Se demuestra que se pueden deducir las ondas de De Broglie como procesos colectivos reales de Markov en la parte superior del éter de Dirac.