Éter luminífero - Luminiferous aether

El éter luminífero: se planteó la hipótesis de que la Tierra se mueve a través de un "medio" de éter que transporta la luz.

El éter luminífero o éter ("luminífero", que significa "portador de luz") era el medio postulado para la propagación de la luz . Se invoca para explicar la capacidad de la apariencia de onda de luz basado en propagar a través del espacio vacío (a vacío ), algo que las olas no deberían ser capaces de hacer. La suposición de un pleno espacial de éter luminífero, en lugar de un vacío espacial, proporcionó el medio teórico que requerían las teorías ondulantes 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 los objetos físicos. A medida que se exploró la naturaleza de la luz, especialmente en el siglo XIX, las cualidades físicas requeridas de un éter se volvieron cada vez más contradictorias. A fines del siglo XIX, se cuestionaba la existencia del éter, aunque no había una teoría física que lo reemplazara.

El resultado negativo del experimento de Michelson-Morley (1887) sugirió que el éter no existía, un hallazgo que se confirmó en experimentos posteriores durante la década de 1920. Esto llevó a un trabajo teórico considerable para explicar la propagación de la luz sin éter. Un gran avance fue la teoría de la relatividad , que podría explicar por qué el experimento no pudo 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 teoría de la relatividad como la teoría cuántica , la última de las cuales explica la naturaleza de partícula de la luz.

La historia de la luz y el éter

Ver también: Cronología del éter luminífero

Partículas contra ondas

Artículo principal: dualidad onda-partícula

En el siglo XVII, Robert Boyle fue un defensor de la hipótesis del éter. Según Boyle, el éter consiste en 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 lo contrario, son inexplicables en la base de interacciones puramente mecánicas de cuerpos macroscópicos, "aunque en el éter de los antiguos no se notó 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 vapores que se mueven en un rumbo determinado entre el polo norte y el sur ".

El Tratado de 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 solo 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 solo una 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 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 en el espacio y, por lo tanto, "perturbaría y retardaría los movimientos de esos grandes Cuerpos" (los planetas y cometas) y, por lo tanto, "a medida que [la luz médium] es inútil, y 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 rechazada ".

Isaac Newton sostuvo que la luz está formada por numerosas partículas pequeñas. Esto puede explicar características tales 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 . Para explicar la refracción, el Tercer Libro de Ópticas de Newton (1ª ed. 1704, 4ª edición de 1730) postuló un "medio etéreo" que transmite vibraciones más rápido que la luz, por el cual la luz, cuando es alcanzada, se pone en "Ajustes de fácil reflexión y fácil transmisión". ", que provocó refracción y difracción. Newton creía que estas vibraciones estaban relacionadas con la radiación térmica:

¿No es el calor de la habitación cálida transmitido a través del vacío por las vibraciones de un medio mucho más sutil que el aire, que después de que el aire fue extraído permaneció en el vacío? ¿Y no es este Medio lo mismo con ese Medio por el cual la Luz es refractada y reflejada, y por cuyas Vibraciones la Luz comunica Calor a los Cuerpos y se pone en Accesos de Fácil Reflexión y Fácil Transmisión?

En contraste con la comprensión moderna de que la radiación de calor y la luz son radiación electromagnética , Newton veía el calor y la luz como dos fenómenos diferentes. Creía que las vibraciones de calor se excitaban "cuando un rayo de luz cae sobre la superficie de cualquier cuerpo diáfano". 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 retroceder unas de otras y, por lo tanto, hacer que el medio sea mucho más raro y elástico que el aire. y, en consecuencia, sumamente menos capaz de resistir los movimientos de los Proyectiles y mucho más capaz de presionar sobre Cuerpos groseros, esforzándose por expandirse.

Bradley sugiere partículas

En 1720, James Bradley llevó a cabo una serie de experimentos para intentar 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 hacia un punto distante dado cambia. Al medir esos ángulos, la distancia a la estrella se puede calcular en función de la circunferencia orbital conocida de la Tierra alrededor del sol. No pudo detectar ningún paralaje, por lo que colocó un límite más bajo en la distancia a las estrellas.

Durante estos experimentos, Bradley también descubrió un efecto relacionado; las posiciones aparentes de las estrellas cambiaron durante el 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 maximizó 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, mostrando que el ángulo de aberración estaba dado por la simple suma de vectores de la velocidad orbital de la Tierra y la velocidad de los corpúsculos de luz, al igual que las gotas de lluvia que caen verticalmente golpean un objeto en movimiento en un angulo. Conociendo la velocidad de la Tierra y el ángulo de aberración, esto 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 consideró más problemático. Como la aberración dependía de las velocidades relativas y la velocidad medida dependía del movimiento de la Tierra, el éter tenía que permanecer estacionario con respecto a la estrella a medida que 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 de ondas en primer lugar.

Triunfos de la teoría de las ondas

Un siglo después, Thomas Young 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, finalmente se abandonó el modelo de partículas de Newton. Los físicos supusieron, además, que, al igual que las ondas mecánicas, las ondas de luz requerían un medio para la propagación y, por lo tanto, requerían la idea de Huygens de un "gas" de éter que impregna 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 interactúa 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 campeón de la interpretación de arrastre, desarrollando un modelo en el que el éter podría ser (por analogía con la brea de pino) rígido a frecuencias muy altas y fluido a velocidades más bajas. Por lo tanto, la Tierra podría moverse a través de ella con bastante libertad, pero sería lo suficientemente rígida para soportar la luz.

Electromagnetismo

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 razón es igual al producto de la velocidad de la luz por la raíz cuadrada de dos. Al año siguiente, Gustav Kirchhoff escribió un artículo en el que mostraba 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 magnéticas de fuerza utilizando un mar de vórtices moleculares que consideró 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 por 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.

Sin embargo, Maxwell había expresado algunas incertidumbres en torno a la naturaleza precisa de sus vórtices moleculares, por lo que 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. Aunque Maxwell no mencionó explícitamente el mar de vórtices moleculares, su derivación de la ley circuital de Ampère se trasladó del artículo de 1861 y utilizó un enfoque dinámico que implicaba un movimiento de rotación dentro del campo electromagnético que comparó con la acción de los volantes. Usando este enfoque para justificar la ecuación de la fuerza electromotriz (el precursor de la ecuación de la fuerza de Lorentz ), derivó una ecuación de onda de un conjunto de ocho ecuaciones que aparecieron en el artículo y que incluían la ecuación de la fuerza electromotriz y la ley circuital de Ampère . Maxwell volvió a utilizar 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, lo que respalda la opinión de que la luz es una forma de radiación electromagnética.

La aparente necesidad de un medio de propagación para tales ondas hertzianas puede verse por el hecho de que consisten en ondas ortogonales eléctricas (E) y magnéticas (B o H). 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 requería 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 se pudo demostrar 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 sostienen 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 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 .

Problemas

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 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. Maxwell escribió en Encyclopædia Britannica :

Los éteres fueron inventados para que los planetas naden, 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 haya llenado tres o cuatro veces con éteres. ... El único éter que ha sobrevivido es el que fue inventado por Huygens para explicar la propagación de la luz.

Los científicos contemporáneos eran conscientes de los problemas, pero la teoría del éter estaba tan arraigada en la ley física en este punto que simplemente se suponía que existía. En 1908, Oliver Lodge pronunció un discurso en nombre de Lord Rayleigh ante la Royal Institution sobre este tema, en el que describió sus propiedades físicas y luego intentó ofrecer razones por las que no eran imposibles. Sin embargo, también estaba al tanto de las críticas y citó a Lord Salisbury diciendo que "el éter es poco más que un caso nominativo del verbo ondular ". Otros lo criticaron como un "invento inglés", aunque Rayleigh dijo en broma que en realidad era un invento de la Royal Institution.

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 tratar de detectar el movimiento de la Tierra a través del éter, pero no lo consiguieron. 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 apariencia arbitraria y supuestos físicos. 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 fueran correctas, la nueva teoría especial de la relatividad (1905) podría generar la mismas matemáticas sin hacer referencia a un éter en absoluto. El éter cayó sobre la navaja de Occam .

Movimiento relativo entre la Tierra y el éter.

Arrastre de éter

Artículo principal: hipótesis del arrastre del éter

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, y El modelo de George Gabriel Stokes (1844) de arrastre de éter completo. 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. Asimismo, 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 1851 de Fizeau de la predicción de 1818 de Fresnel de que un medio con índice de refracción n moviéndose 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:

Es decir, el movimiento agrega solo una fracción de la velocidad del medio a la luz (predicha por Fresnel para hacer que la ley de Snell funcione en todos los marcos de referencia, consistente con la aberración estelar). Esto se interpretó inicialmente en el sentido de que el medio arrastra el éter junto 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 debe haber un éter separado para cada una de las infinitas frecuencias.

Experimentos negativos de deriva del éter

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 permanecer igual en los experimentos no acelerados, la luz no seguiría las mismas reglas porque viaja en el "marco del 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 volver a escucharla cuando el sonido que viaja más lento llega a través del aire. De manera similar, un viajero en un avión de pasajeros todavía 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 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 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 el 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 las 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; las estrellas en diferentes direcciones tendrían diferentes colores, por ejemplo.

Por tanto, en cualquier punto debería haber un sistema de coordenadas especial, "en reposo con respecto al éter". Maxwell observó a fines de la década de 1870 que la detección de 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 luz que viaja hacia atrás, ya que ambos 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 durante el transcurso de las estaciones, deberían permitir la detección de la deriva.

Experimentos de primer orden

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 , porque el coeficiente de arrastre de Fresnel provocaría un resultado negativo de todos los experimentos ópticos capaces de medir los 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):

  • El experimento de François Arago (1810), para confirmar si la refracción, y por tanto la aberración de la luz, está influenciada por el movimiento de la Tierra. George Biddell Airy (1871) realizó experimentos similares por medio de un telescopio lleno de agua y Éleuthère Mascart (1872).
  • El experimento de Fizeau (1860), para encontrar si la rotación del plano de polarización a través de las columnas de vidrio cambia por el movimiento de la Tierra. Obtuvo un resultado positivo, pero Lorentz pudo demostrar que los resultados han sido contradictorios. DeWitt Bristol Brace (1905) y Strasser (1907) repitieron el experimento con mayor precisión y obtuvieron resultados negativos.
  • El experimento de Martin Hoek (1868). Este experimento es una variación más precisa del experimento de Fizeau (1851) . Se enviaron dos rayos de luz en direcciones opuestas: uno de ellos atraviesa un camino lleno de agua en reposo, el otro sigue un camino a través del aire. De acuerdo con el coeficiente de arrastre de Fresnel, obtuvo un resultado negativo.
  • El experimento de Wilhelm Klinkerfues (1870) investigó si existe una influencia del movimiento de la Tierra en la línea de absorción del sodio. Obtuvo un resultado positivo, pero se demostró que se trataba de un error experimental, porque una repetición del experimento de Haga (1901) dio un resultado negativo.
  • El experimento de Ketteler (1872), en el que dos rayos de un interferómetro se enviaron en direcciones opuestas a través de dos tubos mutuamente inclinados llenos de agua. No se produjeron cambios en las franjas de interferencia. Más tarde, Mascart (1872) mostró que las franjas de interferencia de la luz polarizada en la calcita tampoco se vieron afectadas.
  • El experimento de Éleuthère Mascart (1872) para encontrar un cambio de rotación del plano de polarización en el cuarzo. No se encontró ningún cambio de rotación cuando los rayos de luz tenían la dirección del movimiento de la Tierra y luego la dirección opuesta. Lord Rayleigh realizó experimentos similares con mayor precisión y también obtuvo un resultado negativo.

Además de esos experimentos ópticos, también se llevaron a cabo experimentos electrodinámicos de primer orden, que deberían haber conducido a resultados positivos según Fresnel. Sin embargo, Hendrik Antoon Lorentz (1895) modificó la teoría de Fresnel y demostró que esos experimentos también pueden explicarse mediante un éter estacionario:

  • El experimento de Wilhelm Röntgen (1888), para encontrar si un condensador cargado produce fuerzas magnéticas debido al movimiento de la Tierra.
  • El experimento de Theodor des Coudres (1889), para encontrar si el efecto inductivo de dos alambres enrollados sobre un tercero está influenciado por la dirección del movimiento de la Tierra. Lorentz demostró que este efecto se cancela a primer orden por la carga electrostática (producida por el movimiento de la Tierra) sobre los conductores.
  • El experimento de Königsberger (1905). Las placas de un condensador están ubicadas en el campo de un electroimán fuerte. Debido al movimiento de la Tierra, las placas deberían haberse cargado. No se observó tal efecto.
  • El experimento de Frederick Thomas Trouton (1902). Se trajo un condensador paralelo al movimiento de la Tierra, y se asumió que el impulso se produce cuando el condensador está cargado. El resultado negativo puede explicarse por la teoría de Lorentz, según la cual el impulso electromagnético compensa el impulso debido al movimiento de la Tierra. Lorentz también pudo demostrar que la sensibilidad del aparato era demasiado baja para observar tal efecto.

Experimentos de segundo orden

El experimento de Michelson-Morley comparó el tiempo que tarda la luz en reflejarse en los espejos en dos direcciones ortogonales.

Si bien los experimentos de primer orden podrían explicarse mediante un éter estacionario modificado, se esperaba que los 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 ser 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. La publicación de su resultado en 1887, el resultado nulo , fue la primera demostración clara de que algo andaba muy 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 cambio del patrón de franjas de aproximadamente 0,01 de franja , correspondiente a una pequeña velocidad. Sin embargo, era incompatible con el efecto del viento de éter esperado 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 cero. Por tanto, la hipótesis nula , la hipótesis de que no había viento de éter, no podía rechazarse. Desde entonces, experimentos más modernos han reducido el valor posible a un número muy cercano a cero, alrededor de 10-17 .

Es obvio por lo que ha sucedido antes 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. No. 151. Diciembre de 1887.

Una serie de experimentos que utilizaron aparatos similares pero cada vez más sofisticados arrojaron también el resultado nulo. Experimentos conceptualmente diferentes que también intentaron detectar el movimiento del éter fueron el experimento de Trouton-Noble  (1903), cuyo objetivo era detectar efectos de torsión causados ​​por campos electrostáticos, y los experimentos de Rayleigh y Brace (1902, 1904), para detectar doble refracción en varios medios. Sin embargo, todos obtuvieron un resultado nulo, como lo hizo anteriormente Michelson-Morley (MM).

Estos experimentos de "viento-éter" llevaron a una serie de esfuerzos para "salvar" el éter asignándole propiedades cada vez más complejas, mientras que sólo unos pocos científicos, como Emil Cohn o Alfred Bucherer , consideraron 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), cuyo objetivo era mostrar si el éter es arrastrado por varias masas giratorias, no mostraron ningún arrastre de éter. Se realizó una medición más precisa en el experimento de Hammar (1935), que ejecutó un experimento MM completo con una de las "patas" colocada entre dos bloques de plomo macizos. 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 se modificó nuevamente, esta vez para sugerir que el arrastre solo funcionó 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 la hipótesis del arrastre del éter ).

Otro intento completamente diferente de salvar el éter "absoluto" se realizó en 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 del viaje. Es decir, la luz estaba siendo afectada de manera "natural" por su viaje a través del éter como se predijo, pero también lo fue el aparato en sí, cancelando cualquier diferencia cuando se midió. FitzGerald había inferido esta hipótesis a partir de un artículo de Oliver Heaviside . Sin referencia a un éter, esta interpretación física de los efectos relativistas fue compartida por Kennedy y Thorndike 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.

De manera similar, el efecto Sagnac , observado por G. Sagnac en 1913, se vio de inmediato que era totalmente coherente con la relatividad especial. De hecho, el experimento de Michelson-Gale-Pearson en 1925 se propuso 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 las teorías no relativistas.

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 fueron lo suficientemente grandes para ser consistentes con ninguna teoría conocida del éter. Sin embargo, otros investigadores no pudieron duplicar los resultados declarados por Miller. A lo largo de los años, la precisión experimental de tales mediciones se ha elevado en muchos órdenes de magnitud y no se ha visto ningún rastro de ninguna 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 para detectar el éter. Muchos experimentadores han afirmado resultados positivos. Estos resultados no han llamado mucho la 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.

Teoría del éter de Lorentz

Artículo principal: teoría del éter de Lorentz

Entre 1892 y 1904, Hendrik Lorentz desarrolló una teoría del éter de electrones, en la que introdujo una separación estricta entre la materia (electrones) y el éter. En su modelo, el éter está completamente inmóvil y no se pondrá en movimiento en la vecindad de la materia ponderable. A diferencia de los modelos de electrones 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. Este teorema establece que un observador que se mueve en relación con el éter hace las mismas observaciones que un observador en reposo, después de un cambio adecuado de variables. Lorentz notó que era necesario cambiar las variables del espacio-tiempo al cambiar los marcos e introdujo conceptos como la contracción de la longitud física (1892) 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) y Lorentz (1899, 1904), en la que (como señaló Larmor) la formulación completa de la hora local va acompañada de una especie de dilatación del tiempo. de electrones moviéndose en el éter. Como señaló más tarde Lorentz (1921, 1928), consideró el tiempo indicado por los relojes en reposo en el éter como el tiempo "verdadero", mientras que el tiempo local fue visto por él como una hipótesis de trabajo heurística y un artificio matemático. Por lo tanto, los autores modernos consideran que el teorema de Lorentz es una transformación matemática de un sistema "real" que descansa en el éter en un sistema "ficticio" en movimiento.

La obra de Lorentz fue perfeccionada matemáticamente por Henri Poincaré , quien formuló en muchas ocasiones el Principio de Relatividad y trató de armonizarlo con la electrodinámica. Declaró que la simultaneidad es 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 hacer las leyes de la naturaleza lo más simples posible. En 1900 y 1904 interpretó físicamente la hora local de Lorentz como resultado de la sincronización del reloj mediante señales luminosas. En junio y julio de 1905 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, usó la noción de un éter como un medio perfectamente indetectable y distinguió entre tiempo aparente y tiempo real, por lo que la mayoría de los historiadores de la ciencia argumentan que no inventó la relatividad especial.

Fin del éter

Relatividad especial

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 de Lorentz un nuevo contexto "no éter". A diferencia de la mayoría de los cambios importantes en el pensamiento científico, la relatividad especial fue adoptada por la comunidad científica con notable rapidez, 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. La primera defensa de Max Planck de la teoría especial La teoría, 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 de 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 teoría. 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 marcos de referencia inerciales . De esta manera demostró que las leyes de la física permanecían invariables 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, la necesidad de dar cuenta de un único marco de referencia universal había desaparecido, y la aceptación de la teoría del éter luminífero del siglo XIX desapareció con ella. 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 según 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, tampoco la luz. Este fue el primer paso que conduciría al desarrollo completo de la mecánica cuántica , en el que la onda-como la naturaleza y la partícula similar a naturaleza de la luz son ambos considerados como descripciones válidas de 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 nuestros puntos de vista sobre la composición y esencia de la radiación".

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 ... se puede llevar a cabo independientemente de lo que se piense del éter y del tiempo". Comentó que "haya o no un 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".

Otros modelos

Artículo principal: Teorías del éter

En años posteriores ha habido algunos individuos que abogaron por un enfoque neo-Lorentziano de la física, que es Lorentziano en el sentido de postular un verdadero estado de reposo absoluto que es indetectable y que no juega ningún papel en las predicciones de la teoría. ( Nunca se han detectado violaciones de la covarianza de Lorentz , a pesar de los denodados esfuerzos). Por lo tanto, estas teorías se asemejan 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 de Nature, titulado "¿Existe un éter?" que "estamos más bien obligados a tener un éter". Sin embargo, Dirac nunca formuló una teoría completa, por lo que sus especulaciones no encontraron aceptación por parte de la comunidad científica.

Las opiniones de Einstein sobre el éter

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. "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 movida por estas fuerzas".

En 1916, después de que Einstein completara su trabajo fundamental sobre la relatividad general , Lorentz le escribió una carta en la que especulaba que dentro de la relatividad general se reintroducía 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 elaborado por Einstein en algunos artículos semi-populares (1918, 1920, 1924, 1930).

En 1918, Einstein aludió públicamente a esa nueva definición por primera vez. 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 de Lorentz . En esta conferencia, Einstein destacó que la relatividad especial eliminó la última propiedad mecánica del éter: la inmovilidad. Sin embargo, continuó 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 se elaboró ​​completamente dentro de la relatividad general , en la que las propiedades físicas (que están parcialmente determinadas por la materia) se atribuyen al espacio, pero ninguna sustancia o estado de movimiento puede atribuirse a ese "éter" (con lo que se refería al espacio-tiempo curvo ).

En otro artículo de 1924, titulado "Concerning the Aether", 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 "debido a que ya no era posible hablar, en ningún sentido absoluto, de estados simultáneos en diferentes ubicaciones del éter, el éter se convirtió, por así decirlo, en cuatridimensional ya que no había una forma 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 la 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, al igual que la materia influye en la estructura del éter.

La única similitud de este concepto de éter relativista con los modelos de éter clásicos 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, ninguna "sustancia" ni ningún estado de movimiento pueden atribuirse a ese nuevo éter. El uso de 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.

Conceptos de éter

Ver también

Referencias

Notas al pie

Citas

Fuentes primarias

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enlaces externos