En el siglo XIX, se discutió ampliamente la teoría del éter luminífero como medio hipotético para la propagación de la luz. Una parte importante de esta discusión fue la cuestión relativa al estado de movimiento de la Tierra con respecto a este medio. La hipótesis del arrastre del éter se ocupó de la cuestión de si el éter luminífero es arrastrado o arrastrado dentro de la materia en movimiento. Según la primera variante, no existe movimiento relativo entre la Tierra y el éter; según el segundo, existe movimiento relativo y, por tanto, la velocidad de la luz debería depender de la velocidad de este movimiento ("viento de éter"), que debería ser medible por instrumentos en reposo en la superficie de la Tierra. Los modelos de éter específicos fueron inventados porAugustin-Jean Fresnel, quien en 1818 propuso que el éter está parcialmente arrastrado por la materia. El otro fue propuesto por George Stokes en 1845, en el que el éter está completamente arrastrado dentro o cerca de la materia.
Mientras que la teoría casi estacionaria de Fresnel fue aparentemente confirmada por el experimento de Fizeau (1851), la teoría de Stokes fue aparentemente confirmada por el experimento de Michelson-Morley (1881, 1887). Esta situación contradictoria fue resuelta por los trabajos de Hendrik Antoon Lorentz (1895, 1904) cuya teoría del éter de Lorentz desterró cualquier forma de arrastre de éter, y finalmente con el trabajo de Albert Einstein (1905) cuya teoría de la relatividad especial no contiene el éter como un medio mecánico en absoluto. [1] [2] [3]
Arrastre parcial de éter
En 1810, François Arago se dio cuenta de que las variaciones en el índice de refracción de una sustancia predicha por la teoría corpuscular proporcionarían un método útil para medir la velocidad de la luz. Estas predicciones surgieron porque el índice de refracción de una sustancia como el vidrio depende de la relación entre las velocidades de la luz en el aire y en el vidrio. Arago intentó medir hasta qué punto los corpúsculos de luz serían refractados por un prisma de vidrio en la parte frontal de un telescopio. Esperaba que hubiera un rango de diferentes ángulos de refracción debido a la variedad de diferentes velocidades de las estrellas y el movimiento de la tierra en diferentes momentos del día y del año. Contrariamente a esta expectativa, descubrió que no había diferencia en la refracción entre estrellas, entre horas del día o entre estaciones. Todo lo que Arago observó fue una aberración estelar ordinaria . [4]
En 1818, Augustin-Jean Fresnel examinó los resultados de Arago utilizando una teoría ondulatoria de la luz. Se dio cuenta de que incluso si la luz se transmitiera como ondas, el índice de refracción de la interfaz vidrio-aire debería haber variado a medida que el vidrio se movía a través del éter para golpear las ondas entrantes a diferentes velocidades cuando la tierra giraba y cambiaban las estaciones. Fresnel propuso que el prisma de vidrio llevaría algo de éter junto con él para que "... el éter esté en exceso dentro del prisma". [5] Se dio cuenta de que la velocidad de propagación de las ondas depende de la densidad del medio, por lo que propuso que la velocidad de la luz en el prisma debería ajustarse mediante una cantidad de "arrastre". La velocidad de la luz en el vaso sin ningún ajuste viene dado por:
El ajuste de arrastre es dado por:
Dónde es la densidad del éter en el medio ambiente, es la densidad del éter en el vidrio y es la velocidad del prisma con respecto al éter.
El factor Se puede escribir como porque el índice de refracción, n, dependería de la densidad del éter. Esto se conoce como coeficiente de resistencia de Fresnel . La velocidad de la luz en el vidrio viene dada por:
Esta corrección logró explicar el resultado nulo del experimento de Arago. Introduce el concepto de un éter en gran parte estacionario que es arrastrado por sustancias como el vidrio, pero no por el aire. Su éxito favoreció la teoría ondulatoria de la luz sobre la teoría corpuscular anterior.
Problemas de arrastre parcial del éter
El coeficiente de arrastre de Fresnel fue confirmado directamente por el experimento de Fizeau y sus repeticiones. En general, con la ayuda de este coeficiente se puede explicar el resultado negativo de todos los experimentos ópticos de deriva del éter lo suficientemente sensibles como para detectar efectos de primer orden (como los experimentos de Arago, Fizeau, Hoek, Airy, Mascart ). La noción de un éter (casi) estacionario también es consistente con la aberración estelar . Sin embargo, esta teoría se considera refutada por las siguientes razones: [1] [2] [3]
- Ya se sabía en el siglo XIX que el arrastre parcial del éter requiere que la velocidad relativa del éter y la materia sean diferentes para la luz de diferentes colores, lo que evidentemente no es el caso.
- La teoría de Fresnel de un éter (casi) estacionario predice resultados positivos mediante experimentos que son lo suficientemente sensibles como para detectar efectos de segundo orden. Sin embargo, experimentos como el de Michelson-Morley y el de Trouton-Noble dieron resultados negativos dentro de su margen de error y, por lo tanto, se consideran refutaciones del éter de Fresnel.
- En el experimento de Hammar , realizado por Gustaf Wilhelm Hammar en 1935, se utilizó un interferómetro de ruta común. Se instalaron bloques de plomo masivos en ambos lados de una sola pata del interferómetro. Esta disposición debería provocar diferentes cantidades de arrastre de éter y, por lo tanto, producir un resultado positivo. Sin embargo, el resultado fue nuevamente negativo. [6]
Arrastramiento completo de éter
Para George Stokes (1845), el modelo de un éter que no se ve afectado en absoluto o solo parcialmente por la materia en movimiento era antinatural y poco convincente, por lo que asumió que el éter se arrastra completamente dentro y en las proximidades de la materia, parcialmente arrastrado a distancias más grandes, y permanece en reposo en el espacio libre. [7] [8] [9] [10] También Heinrich Rudolf Hertz (1890) incorporó un modelo completo de arrastre de éter dentro de su elaboración de la teoría del electromagnetismo de Maxwell, para ponerla de acuerdo con el principio de relatividad de Galileo . Es decir, si se supone que el éter está en reposo dentro de la materia en un marco de referencia, la transformación de Galileo da como resultado que la materia y el éter (arrastrado) viajan con la misma velocidad en otro marco de referencia. [1]
Problemas de arrastre completo del éter
El arrastre completo del éter puede explicar el resultado negativo de todos los experimentos de deriva del éter (como el experimento de Michelson-Morley). Sin embargo, esta teoría se considera errónea por las siguientes razones: [1] [11]
- El experimento de Fizeau (1851) indicó solo un arrastre parcial de luz.
- El efecto Sagnac muestra que dos rayos de luz, que emanan de la misma fuente de luz en diferentes direcciones en una plataforma giratoria, requieren tiempos diferentes para regresar a la fuente de luz. Sin embargo, si el éter es completamente arrastrado por la plataforma, este efecto no debería ocurrir en absoluto.
- Oliver Lodge realizó experimentos en la década de 1890, buscando evidencia de que la propagación de la luz está influenciada por estar en la proximidad de grandes masas giratorias, y no encontró tal influencia. [12] [13]
- Es incompatible con el fenómeno de la aberración estelar . En la aberración estelar, la posición de una estrella cuando se ve con un telescopio oscila a cada lado de una posición central en aproximadamente 20,5 segundos de arco cada seis meses. Esta cantidad de oscilación es la cantidad esperada al considerar la velocidad del viaje de la Tierra en su órbita. En 1871, Airy demostró que la aberración estelar ocurre incluso cuando un telescopio está lleno de agua. Parece que si la hipótesis del arrastre del éter fuera cierta, la aberración estelar no se produciría porque la luz viajaría en el éter que se movería junto con el telescopio. Considere un cubo en un tren a punto de entrar en un túnel, y una gota de agua gotea desde la entrada del túnel al cubo en el centro. La gota no golpeará el centro en el fondo del cubo. El cubo es análogo al tubo de un telescopio, la gota es un fotón y el tren es la tierra. Si se arrastra el éter, la gota viajaría con el tren cuando se deja caer y golpearía el centro del cubo en la parte inferior. La cantidad de aberración estelar,, es dado por:
- Entonces:
- La velocidad a la que la tierra gira alrededor del sol, v = 30 km / s, y la velocidad de la luz es c = 299,792,458 m / s, lo que da = 20,5 segundos de arco cada seis meses. Se observa esta cantidad de aberración y esto contradice la hipótesis completa del arrastre de éter.
Las respuestas de Stokes a esos problemas
Stokes ya en 1845 introdujo algunos supuestos adicionales con el fin de armonizar su teoría con los resultados experimentales. Para explicar la aberración, asumió que su éter incompresible también es irrotacional, lo que daría, en relación con su modelo específico de arrastre de éter, la ley correcta de la aberración. [7] Para reproducir el coeficiente de arrastre de Fresnel (y por lo tanto para explicar el experimento de Fizeau), argumentó que el éter se arrastra completamente dentro de un medio, es decir, el éter se condensa cuando entra en el medio y se enrarece cuando lo deja de nuevo, lo que modifica la velocidad del éter así como la de la luz y conduce a la misma expresión que la de Fresnel. [8]
Aunque la teoría de la aberración de Stokes se consideró viable durante algún tiempo, tuvo que abandonarse porque Lorentz argumentó en 1886 que cuando el éter es incompresible como en la teoría de Stokes, y si el éter tiene el mismo componente normal de velocidad que el tierra, no tendría la misma componente tangencial de velocidad, por lo que todas las condiciones planteadas por Stokes no pueden cumplirse al mismo tiempo. [14]
Arrastre de éter gravitacional
Theodor des Coudres y Wilhelm Wien (1900) propusieron otra versión del modelo de Stokes . Supusieron que el arrastre del éter es proporcional a la masa gravitacional. Es decir, el éter es completamente arrastrado por la tierra y solo parcialmente arrastrado por objetos más pequeños en la tierra. [15] Y para salvar la explicación de Stokes de la aberración, Max Planck (1899) argumentó en una carta a Lorentz, que el éter podría no ser incompresible, sino condensado por gravitación en la vecindad de la tierra, y esto daría las condiciones necesarias para la teoría de Stokes ("teoría de Stokes-Planck"). Cuando se compara con los experimentos anteriores, este modelo puede explicar los resultados positivos de los experimentos de Fizeau y Sagnac, porque la pequeña masa de esos instrumentos solo puede arrastrar parcialmente (o nada) el éter, y por la misma razón explica el resultado negativo de los experimentos de Lodge. También es compatible con el experimento de Hammar y Michelson-Morley, ya que el éter es completamente arrastrado por la gran masa de tierra.
Sin embargo, esta teoría fue refutada directamente por el experimento de Michelson-Gale-Pearson (1925). La gran diferencia de este experimento con los experimentos habituales de Sagnac es el hecho de que se midió la rotación de la tierra misma. Si el éter es completamente arrastrado por el campo gravitacional de la Tierra, se debe esperar un resultado negativo, pero el resultado fue positivo. [11]
Y desde un punto de vista teórico, Hendrik Antoon Lorentz señaló que la hipótesis de Stokes-Planck requiere que la velocidad de la luz no se vea afectada por un aumento de densidad de 50.000 veces el éter. De modo que Lorentz y el propio Planck rechazaron esta hipótesis por improbable. [1] [16]
Lorentz y Einstein
Como Lorentz se vio obligado a abandonar la hipótesis de Stokes, eligió el modelo de Fresnel como punto de partida. [ cita requerida ] Pudo reproducir el coeficiente de arrastre de Fresnel en 1892, aunque en la teoría de Lorentz representa una modificación de la propagación de las ondas de luz, no el resultado de ningún arrastre de éter. Por lo tanto, el éter de Lorentz está completamente estacionario o inmóvil. Sin embargo, esto conduce al mismo problema que ya afligía al modelo de Fresnel: estaba en contradicción con el experimento de Michelson-Morley. Por lo tanto, George Francis FitzGerald (1889) y Lorentz (1892) introdujeron la contracción de longitud , es decir, todos los cuerpos se contraen en la línea de movimiento por el factor. Además, en la teoría de Lorentz, la transformación de Galileo fue reemplazada por la transformación de Lorentz . [17]
Sin embargo, la acumulación de hipótesis para rescatar el concepto de éter estacionario se consideró muy artificial. Así fue Albert Einstein (1905), quien reconoció que solo se requiere asumir el principio de relatividad y la constancia de la velocidad de la luz en todos los marcos de referencia inerciales , a fin de desarrollar la teoría de la relatividad especial y derivar la completar la transformación de Lorentz. Todo esto se hizo sin utilizar el concepto de éter estacionario. [18]
Como mostró Max von Laue (1907), la relatividad especial predice el resultado del experimento de Fizeau a partir del teorema de la adición de velocidades sin necesidad de un éter. Si es la velocidad de la luz relativa al aparato de Fizeau y es la velocidad de la luz relativa al agua y es la velocidad del agua:
que, si v / c es pequeño, se puede expandir usando la expansión binomial para convertirse en:
Esto es idéntico a la ecuación de Fresnel . [19]
Hipótesis del éter de Allais
Maurice Allais propuso en 1959 una hipótesis del éter que implica una velocidad del viento de aproximadamente 8 km / s, mucho más bajo que el valor estándar de 30 km / s con el apoyo de los científicos del siglo XIX, y compatible con el de Michelson-Morley y los Dayton Miller experimentos , [20] así como sus propios experimentos con respecto al controvertido efecto Allais impredecible por la relatividad general. [21] [22] A pesar de defender la necesidad de otra teoría de la gravedad , [23] su hipótesis no ganó una tracción significativa entre los científicos convencionales.
Resumen
En la física moderna (que se basa en la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica ), el éter como "sustancia material" con un "estado de movimiento" ya no juega ningún papel. Por tanto, las cuestiones relativas a un posible "arrastre de éter" ya no son consideradas significativas por la comunidad científica. Sin embargo, el arrastre de fotogramas como lo predice la relatividad general , en el que las masas giratorias distorsionan la métrica del espacio-tiempo , provocando una precesión de la órbita de las partículas cercanas, sí existe. Pero este efecto es órdenes de magnitud más débil que cualquier "arrastre de éter" discutido en este artículo.
Ver también
- Historia de la relatividad especial
- Pruebas de relatividad especial
- Pruebas de relatividad general
- Arrastrar fotogramas
Bibliografía y referencias
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enlaces externos
- Mathpages: el error de Stokes