Éter luminífero

El éter luminifero: se hipotetizó que la Tierra pasa por un "médium" de éter que lleva luz

Éter luminífero o éter ("luminífero", que significa "portador de luz") fue el medio postulado para la propagación de luz. Se invocó para explicar la capacidad de la luz aparentemente basada en ondas para propagarse a través del espacio vacío (un vacío), algo que las ondas no deberían poder hacer. La suposición de una plenitud espacial 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 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 condujo 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 relatividad como la teoría cuántica, la última de las cuales explica la naturaleza corpuscular de la luz.

La historia de la luz y el éter

Partículas vs ondas

En el siglo XVII, Robert Boyle propuso la hipótesis del éter. Según Boyle, el éter consta de partículas sutiles, una de las cuales explica la ausencia de vacío y las interacciones mecánicas entre los cuerpos, y la otra explica fenómenos como el magnetismo (y posiblemente la gravedad) que, de otro modo, son inexplicables en la Tierra. 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 este momento nos contentamos con admitir que siempre hay en el aire un enjambre de corrientes que se mueven en un curso determinado entre el polo norte y el sur.

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 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 un cristal refracta de manera diferente dos polarizaciones de la luz. Además, Newton rechazó la luz como ondas en un medio porque dicho medio tendría que extenderse por todas partes en el espacio y, por lo tanto, "perturbaría y retardaría los movimientos de esos grandes cuerpos". (los planetas y los cometas) y, por lo tanto, como [el medio de la luz] no sirve de nada y obstaculiza la operación de la naturaleza y la hace languidecer, no hay evidencia de su existencia y, por lo tanto, debería ser rechazado".

Isaac Newton sostuvo que la luz se compone de 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 partículas de la luz no puede explicar satisfactoriamente la refracción y la difracción. Para explicar la refracción, el Tercer Libro de Óptica de Newton (1.ª ed. 1704, 4.ª ed. 1730) postuló un "medio etéreo" transmitiendo vibraciones más rápido que la luz, por lo que la luz, cuando es superada, se pone en "ataques de fácil reflexión y fácil transmisión", lo que provocó refracción y difracción. Newton creía que estas vibraciones estaban relacionadas con la radiación de calor:

¿No es el calor de la habitación caliente transportado a través del vacío por las vibraciones de un subtilador mucho Médium que el aire, que después de que el aire fue sacado se quedó en el Vacuo? Y no es este Médium lo mismo con ese Médium por el cual la Luz es refractada y reflejada, y por cuya Luz Vibraciones comunica Calor a los Cuerpos, y se pone en Fits of easy Reflexion and easy Transmission?

En contraste con la comprensión moderna de que la radiación de calor y la luz son ambas radiación electromagnética, Newton vio el calor y la luz como dos fenómenos diferentes. Él 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 consiste en partículas, entonces deben serlo

mucho más pequeño que los del Aire, o incluso que los de la Luz: La excesiva pequeñez de sus partículas puede contribuir a la grandeza de la fuerza por la que esas partículas pueden retroceder unos de otros, y por lo tanto hacen que Media extraordinariamente más rara y elástica que el aire, y por consiguiente mucho menos capaz de resistir los movimientos de los proyectiles, y mucho más capaz de presionar sobre los cuerpos brutos, procurando expandirse.

Bradley sugiere partículas

En 1720, James Bradley llevó a cabo una serie de experimentos para intentar medir la paralaje estelar tomando medidas de estrellas en diferentes épocas del año. A medida que la Tierra se mueve alrededor del sol, el ángulo aparente de 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 estableció un límite inferior en 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 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, al demostrar que el ángulo de aberración estaba dado por una simple suma vectorial 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 ángulo. Conocer la velocidad de la Tierra y el ángulo de aberración le permitió estimar la velocidad de la luz.

Explicar la aberración estelar en el contexto de una teoría de la luz basada en el éter se consideraba más problemático. Como la aberración se basaba en velocidades relativas, y la velocidad medida dependía del movimiento de la Tierra, el éter tenía que permanecer estacionario con respecto a la estrella mientras la Tierra se movía a través de él. Esto significaba que la Tierra podía viajar a través del éter, un medio físico, sin efecto aparente, precisamente el problema que llevó a Newton a rechazar un modelo de ondas en primer lugar.

La teoría ondulatoria triunfa

Un siglo después, Thomas Young y Augustin-Jean Fresnel revivieron la teoría ondulatoria de la luz cuando señalaron que la luz podría 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, tras una serie de experimentos sobre difracción, finalmente se abandonó el modelo de partículas de Newton. Los físicos asumieron, además, que, al igual que las ondas mecánicas, las ondas de luz requerían un medio para propagarse y, por lo tanto, requerían la idea de Huygens de un éter 'gas'. impregnando 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 hizo que las mediciones de aberraciones 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 del arrastre, desarrollando 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 lo tanto, la Tierra podría moverse a través de él con bastante libertad, pero sería lo suficientemente rígido 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 relación es igual al producto de la velocidad de la luz y la raíz cuadrada de dos. 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 On Physical Lines of Force, modeló estas líneas magnéticas de fuerza usando 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 igualó 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.

Sin embargo, Maxwell había expresado algunas dudas sobre 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 de circuito de Ampère se trasladó del artículo de 1861 y utilizó un enfoque dinámico que involucraba el 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 del circuito de Ampère.. Maxwell una vez más usó los resultados experimentales de Weber y Kohlrausch para mostrar que esta ecuación de onda representaba una onda electromagnética que se propaga a la velocidad de la luz, apoyando así la idea 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 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 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 vacío real 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 relatividad galileana), se planteó la hipótesis del éter como el marco de referencia absoluto y único en el que se mantienen las ecuaciones de Maxwell. Es decir, el éter debe estar "todavía" universalmente, de lo contrario, c variaría junto con cualquier variación que pudiera ocurrir en su medio de apoyo. El mismo 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 tenían que 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 que fuera millones de veces más rígido que el acero para soportar las altas frecuencias de 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:

Aethers fueron inventados para que los planetas nadaran, para constituir atmósferas eléctricas y efluvia magnética, para transmitir sensaciones de una parte de nuestros cuerpos a otra, y así sucesivamente, hasta que todo el espacio se había llenado tres o cuatro veces con aethers.... El único éter que ha sobrevivido es el 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 asumió 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 "aether es poco más que un caso nominativo del verbo to ondulate". 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 fines 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, y no se logró. Una variedad de teorías propuestas sobre el arrastre del éter podrían explicar el resultado nulo, pero estas eran más complejas y tendían a usar coeficientes y suposiciones físicas de apariencia arbitraria. Lorentz y FitzGerald ofrecieron en el marco de la teoría del éter de Lorentz una solución más elegante de cómo el movimiento de un éter absoluto podría ser indetectable (contracción de la longitud), pero si sus ecuaciones fueran correctas, la nueva teoría especial de la relatividad (1905) podría generar la mismas matemáticas sin referirse a un éter en absoluto. El éter cayó ante la navaja de Occam.

Movimiento relativo entre la Tierra y el éter

Arrastre de 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, incluido un arrastre parcial del éter determinado por El coeficiente de arrastre de Fresnel y el de George Gabriel Stokes (1844) modelo 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 resultaron convincentes. Asimismo, experimentos posteriores como el efecto Sagnac (1913) también demostraron que este modelo es insostenible. Sin embargo, el experimento más importante que apoyó la teoría de Fresnel fue la confirmación experimental de Fizeau en 1851 de la predicción de Fresnel en 1818 de que un medio con índice de refracción n se mueve con una velocidad v aumentaría la velocidad de la luz que viaja a través del medio en la misma dirección que v de c/n a:

${displaystyle {frac}+left(1-{frac} Vale.$

Es decir, el movimiento añade 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, de acuerdo con la aberración estelar). Inicialmente, esto se interpretó en el sentido de que el medio arrastra el éter, con una porción de la velocidad del medio, pero esa comprensión se volvió muy problemática después de que Wilhelm Veltmann demostrara que el índice n en la fórmula de Fresnel dependía de la longitud de onda de la luz, por lo que el éter no podía moverse a una velocidad independiente de la longitud de onda. Esto implicaba que debía haber un éter separado para cada una de las infinitas frecuencias.

Experimentos negativos de deriva del éter

La principal dificultad 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 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 emerge rápidamente a la superficie puede escucharla nuevamente cuando el sonido que viaja más lento llega por el aire. De manera similar, un viajero en un avión comercial 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 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 aún estuviera sentado en el suelo. Esta es la base de la transformación de Galileo y el concepto de marco de referencia.

Pero no se suponía que lo mismo ocurría 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 suponía que era el mismo en todo el universo. Si estos números cambiaron, debería haber efectos notables en el cielo; las estrellas en diferentes direcciones tendrían diferentes colores, por ejemplo.

Por lo tanto, en cualquier punto debe haber un sistema de coordenadas especial, "en reposo relativo al éter". Maxwell señaló a fines de la década de 1870 que detectar el movimiento relativo a 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 a lo largo de las estaciones, deberían permitir detectar la deriva.

Experimentos de primer orden

Aunque el éter es casi estacionario según Fresnel, su teoría predice un resultado positivo de los experimentos de aether deriva sólo a segundo orden ${displaystyle v/c}$, porque el coeficiente de arrastre de Fresnel causaría un resultado negativo de todos los experimentos ópticos capaces de medir efectos a primero orden ${displaystyle v/c}$. Esto fue confirmado por los siguientes experimentos de primer orden, que todos dieron resultados negativos. La siguiente lista se basa en la descripción de Wilhelm Wien (1898), con cambios y experimentos adicionales de acuerdo con las descripciones de Edmund Taylor Whittaker (1910) y Jakob Laub (1910):

• El experimento de François Arago (1810), para confirmar si la refracción, y por lo tanto la aberración de la luz, está influenciado por el movimiento de la Tierra. Experimentos similares fueron realizados por George Biddell Airy (1871) por medio de un telescopio lleno de agua, y Éleuthère Mascart (1872).
• El experimento de Fizeau (1860), para averiguar si la rotación del plano de polarización a través de las columnas de vidrio es cambiada 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 mejor precisión y obtuvieron resultados negativos.
• El experimento de Martin Hoek (1868). Este experimento es una variación más precisa del experimento Fizeau (1851). Dos rayos de luz fueron enviados en direcciones opuestas – uno de ellos atraviesa un camino lleno de agua de 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 esto se mostró como un error experimental, porque una repetición del experimento de Haga (1901) dio un resultado negativo.
• El experimento de Ketteler (1872), en el que se enviaron dos rayos de un interferómetro en direcciones opuestas a través de dos tubos mutuamente inclinados llenos de agua. No hubo ningún cambio de los flecos de interferencia. Más tarde, Mascart (1872) mostró que las franjas de interferencia de la luz polarizada en el calcitado seguían sin influencia.
• El experimento de Éleuthère Mascart (1872) para encontrar un cambio de rotación del plano de polarización en 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 obtuvo un resultado negativo también.

Además de esos experimentos ópticos, también se realizaron experimentos electrodinámicos de primer orden, que deberían haber dado resultados positivos según Fresnel. Sin embargo, Hendrik Antoon Lorentz (1895) modificó la teoría de Fresnel y demostró que esos experimentos también pueden ser explicados por un éter estacionario:

• El experimento de Wilhelm Röntgen (1888), para averiguar si un condensador cargado produce fuerzas magnéticas debido al movimiento de la Tierra.
• El experimento de Theodor des Coudres (1889), para determinar si el efecto inductivo de dos rollos de alambre sobre un tercero está influenciado por la dirección del movimiento de la Tierra. Lorentz mostró que este efecto se cancela a primera 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 electromagnet fuerte. Debido al movimiento de la Tierra, las placas deberían haberse cargado. No se observó ese efecto.
• El experimento de Frederick Thomas Trouton (1902). Un condensador fue llevado paralelo al movimiento de la Tierra, y se asumió que el impulso se produce cuando se carga el condensador. El resultado negativo puede ser explicado por la teoría de Lorentz, según la cual el impulso electromagnético compensa el impulso debido al movimiento de la Tierra. Lorentz también podría mostrar que la sensibilidad del aparato era demasiado baja para observar tal efecto.

Experimentos de segundo orden

El experimento Michelson-Morley comparó el tiempo para la luz para reflejar de espejos en dos direcciones ortogonales.

Mientras que los experimentos de primer orden podrían explicarse por un éter estacionario modificado, se esperaba que experimentos más precisos de segundo orden 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 enviarla 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 desplazamiento del patrón de franjas de alrededor de 0,01 de franja, lo que corresponde a una pequeña velocidad. Sin embargo, era incompatible con el efecto esperado del viento del éter debido a la velocidad de la Tierra (que varía según la estación), lo 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 lo 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 evidente por lo que ha pasado 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. "En la Moción Relativa de la Tierra y la Luminifera Èther". Revista Filosófica S. 5. Vol. 24. No. 151. Diciembre de 1887.

Una serie de experimentos con aparatos similares pero cada vez más sofisticados también arrojaron un resultado nulo. Experimentos conceptualmente diferentes que también intentaron detectar el movimiento del éter fueron el experimento de Trouton-Noble (1903), cuyo objetivo era detectar los 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, al igual que lo hizo anteriormente Michelson-Morley (MM).

Estos "ether-wind" experimentos condujeron a una serie de esfuerzos para "salvar" éter asignándole propiedades cada vez más complejas, mientras que sólo unos pocos científicos, como Emil Cohn o Alfred Bucherer, consideraron la posibilidad de abandonar la hipótesis del éter. De particular interés fue la posibilidad de "arrastramiento de éter" o "aether drag", lo que reduciría la magnitud de la medición, quizás 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 mostrar si el éter es arrastrado por varias masas giratorias, no mostraron arrastre de éter. Se realizó una medición más precisa en el experimento de Hammar (1935), que realizó un experimento de MM completo con una de las "piernas" colocado entre dos enormes bloques de plomo. Si el éter fuera arrastrado por la masa, entonces este experimento habría podido detectar el arrastre causado por el plomo, pero nuevamente se logró el resultado nulo. La teoría se modificó nuevamente, esta vez para sugerir que el arrastre solo funcionaba para masas muy grandes o masas con grandes campos magnéticos. Esto también demostró ser 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 "absoluto" El éter se hizo 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 cual 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 en el "natural" manera por su viaje a través del éter como se predijo, pero también lo fue el propio aparato, cancelando cualquier diferencia cuando se midió. FitzGerald había inferido esta hipótesis de un artículo de Oliver Heaviside. Sin referirse 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 'casi' varía en la forma requerida por la relatividad.

Del mismo modo, el efecto Sagnac, observado por G. Sagnac en 1913, se vio de inmediato como totalmente consistente 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 meramente 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 como 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 ha aumentado en muchos órdenes de magnitud y no se ha visto 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 para detectar el éter. Muchos experimentadores han afirmado resultados positivos. Estos resultados no han ganado mucha atención por parte 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

Entre 1892 y 1904, Hendrik Lorentz desarrolló una teoría del electrón-éter, 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. Al contrario de los modelos electrónicos anteriores, el campo electromagnético del éter aparece como un mediador entre los electrones y los cambios en este campo no pueden propagarse más rápido que la velocidad de la luz. Un concepto fundamental de la teoría de Lorentz en 1895 fue el "teorema de los estados correspondientes" para términos de pedido v/c. Este teorema establece que un observador que se mueve con relación al 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 espacio-temporales al cambiar de marco e introdujo conceptos como la contracción de la longitud física (1892) para explicar el experimento de Michelson-Morley, y el concepto matemático del tiempo local (1895) para explicar la aberración de la luz. y el experimento de Fizeau. Esto resultó en la formulación de la llamada transformación de Lorentz por parte de Joseph Larmor (1897, 1900) y Lorentz (1899, 1904), según la cual (como señaló Larmor) la formulación completa del tiempo local va acompañada de algún tipo de dilatación del tiempo. de electrones que se mueven en el éter. Como señaló más tarde Lorentz (1921, 1928), consideró que el tiempo indicado por los relojes que descansaban en el éter era "verdadero" tiempo, mientras que la hora local fue vista por él como una hipótesis de trabajo heurística y un artificio matemático. Por lo tanto, los autores modernos ven el teorema de Lorentz como una transformación matemática de un 'real'. descansando en el éter en un sistema "ficticio" sistema en movimiento.

El trabajo de Lorentz fue perfeccionado matemáticamente por Henri Poincaré, quien formuló en muchas ocasiones el Principio de Relatividad y trató de armonizarlo con la electrodinámica. Declaró la simultaneidad sólo como 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 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 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 real, por lo que la mayoría de los historiadores de la ciencia argumentan que no logró inventar 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 lorentziana una nueva forma 'no éter'. contexto. 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 temprana defensa de Max Planck de la teoría especial, 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 activos.

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 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 de espacio y tiempo de los marcos de referencia inerciales. De esta manera demostró que las leyes de la física permanecían invariantes como lo habían hecho con la transformación de Galileo, pero que ahora la luz también lo era.

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 siglo XIX de un éter luminífero desapareció con ella. Para Einstein, la transformación de Lorentz implicaba 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 se puede considerar 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 la que la naturaleza ondulatoria y la naturaleza corpuscular de la luz se consideran descripciones válidas de la luz. Se puede encontrar un resumen del pensamiento de Einstein sobre la hipótesis del éter, la relatividad y los cuantos de luz en su conferencia de 1909 (originalmente en alemán) 'El desarrollo de nuestras opiniones sobre la composición y esencia de la radiación'.

Lorentz, por su parte, siguió usando la hipótesis del éter. En sus conferencias de alrededor de 1911, señaló que lo que "tiene que decir la teoría de la relatividad... se puede llevar a cabo independientemente de lo que se piense del éter y del tiempo". Comentó que "ya sea que haya un éter o no, los campos electromagnéticos ciertamente existen, y también la energía de las oscilaciones eléctricas" de modo que, "si no nos gusta el nombre de 'éter', debemos usar otra palabra como gancho para colgar todas estas cosas". Concluyó que "no se puede negar al portador de estos conceptos una cierta sustancialidad".

Sin embargo, debe tenerse en cuenta que el 5 de mayo de 1920, Einstein pronunció un discurso en la Universidad de Leiden en el que afirmó: "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 que debemos renunciar a atribuirle un estado de movimiento definido, es decir, debemos, por abstracción, tomar de él la última característica mecánica que Lorentz aún le había dejado. Veremos más adelante que este punto de vista, cuya concebibilidad me esforzaré inmediatamente en hacer más inteligible mediante una comparación un tanto titubeante, está justificado por los resultados de la teoría general de la relatividad. y al final de su discurso dice: 'Recapitulando, podemos decir que, según la teoría general de la relatividad, el espacio está dotado de cualidades físicas; en este sentido, pues, existe un éter. Según la teoría general de la relatividad, el espacio sin éter es impensable;"

Otros modelos

En años posteriores, ha habido algunas personas que defendieron un enfoque neo-lorentziano de la física, que es lorentziano en el sentido de postular un verdadero estado absoluto de reposo 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 arduos esfuerzos). Por lo tanto, estas teorías se parecen a las teorías del éter del siglo XIX solo en el nombre. Por ejemplo, el fundador de la teoría cuántica de campos, Paul Dirac, afirmó en 1951 en un artículo de Nature, titulado "Is there an Aether?" 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. Por el contrario, a principios del siglo XXI, el Dr. Charles Kenneth Thornhill esbozó una cosmología etérea no singular en la que identificó la materia oscura como éter, un medio que impregna el universo, a través del cual se propagan todas las ondas electromagnéticas y las fuerzas gravitatorias.

Opiniones de Einstein sobre el éter

Cuando Einstein aún era estudiante en el Politécnico de Zúrich 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 movido 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 reintrodujo 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 más elaborado por Einstein en algunos artículos semipopulares (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 buscó reconciliar la teoría de la relatividad con el éter lorentziano. En esta conferencia, Einstein enfatizó que la relatividad especial eliminó la última propiedad mecánica del éter: la inmovilidad. Sin embargo, continuó que la relatividad especial no descarta necesariamente 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" (por lo que se refería al espacio-tiempo curvo).

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 cual 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 lugares del éter, el éter se convirtió, como por así decirlo, tetradimensional ya que no había una forma objetiva de ordenar sus estados solo por el tiempo". Ahora 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, así como la materia influye en la estructura del éter.

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 a través de las 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" y ningún estado de movimiento puede atribuirse a ese nuevo éter. El uso de Einstein de la palabra "aether" encontró poco apoyo en la comunidad científica y no desempeñó ningún papel en el desarrollo continuo de la física moderna.

Conceptos de éter

• Aether theory
• Aether (elemento clásico)
• Hipótesis de arrastre de éter