Juan José Gómez Cadenas: La luz constante

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La voz en off es grave, pausada, muy varonil. Es una voz amigable que se dirige confiada al telespectador de otros tiempos, anteriores a la crisis del cine y al imperio de las descargas piratas y las series en streaming. Es una voz confiada que sabe que al otro lado de la pantalla hay una persona y no una maquina de hacer zapping.

La Enterprise —nos informa— se encuentra en un grave peligro. En el último capítulo ha sido atacada por una nave Klingon que se precipita hacia ella a la velocidad de la luz. Mientras la voz en off habla, la pantalla nos muestra las escenas del capítulo anterior.

—Nave enemiga a la vista — grita Scott.

—Coordenadas y velocidad — pide, serenamente, el capitán Kirk.

—Acercándose a 99% de la velocidad de la luz, distancia 400,000 kilómetros — contesta imperturbable Spock.

—Cuatro, tres, dos… — continúa la cuenta atrás.

Justo en el instante en que el cronómetro marca un segundo para el salto al hiperespacio la nave Klingon, que ya ha acortado la distancia a la Enterprise hasta los 300 000 kilómetros, dispara su mortífero láser.

La idea del experimento de Michelson y Morley. Si la tierra se mueve con velocidad v en el sistema de referencia del éter y la luz con velocidad c entonces un rayo de luz disparado dirección del movimiento de la tierra se mueve a velocidad v + c en el sistema de referencia del éter y un rayo de luz disparado en dirección perpendicular se mueve a velocidad c en ese mismo sistema.

Recuerde el lector que la Enterprise se encuentra prácticamente en reposo, mientras que la nave Klingon se mueve prácticamente a la velocidad de la luz cuando dispara su rayo que también viaja a la velocidad de la luz. En el sistema de referencia definido por el éter, la velocidad de la Enterprise es cero, la de la nave Klingon es aproximadamente 300 000 kilómetros por segundo (una cantidad que podemos llamar c siguiendo la notación de la célebre ecuación de Einstein) y la de la luz también es c. La nave Klingon dispara el láser precisamente en la dirección de su movimiento, a lo largo de la imaginaria línea recta que la une con la Enterprise. La situación es similar a la de un avión de combate que dispara sus misiles hacia un blanco estático. En el sistema de referencia de la Tierra, la velocidad con la que el misil se aproxima al blanco es la suma de la velocidad del avión y la velocidad del cohete. En el sistema de referencia del éter, la velocidad con la que el láser destructor se aproxima a la Enterprise es la suma de la velocidad de la nave (c) más la velocidad del láser (también c), esto es, 2c o (aproximadamente) 600 000 kilómetros por segundo. Pero la distancia entre la nave Klingon y la terrestre es de tan solo 300 000 kilómetros y por lo tanto el láser alcanzará a la Enterprise en un poco más de medio segundo (recordemos que el navío extraterrestre se mueve algo más lento que la luz). Desgraciadamente, nuestros amigos necesitan un segundo antes de saltar al hiperespacio.

Y sin embargo, justo cuando el rayo mortífero alcanza el punto donde está la nave terrestre, ésta se desvanece. ¿Qué ha ocurrido?

La explicación no es otra que el postulado básico de la llamada teoría especial de la relatividad de Einstein. La velocidad de la luz es siempre la misma en todos los sistemas de referencia. Eso quiere decir que el capitán Klingon ve alejarse el rayo láser que dispara exactamente a c, pero Kirk lo ve acercarse también a c a pesar de que el sentido común nos dice que en el sistema de referencia del éter el láser debería estar viajando a 2c. Pero si el láser viaja a c necesita algo más de un segundo para recorrer 300 000 kilómetros, suficiente para que los motores de la Enterprise acaben de cargarse y la nave terráquea salte al hiperespacio librándose por los pelos de ser aniquilada.

No hay truco. Al contrario que el hiper-radar que permite a la Enterprise detectar la presencia de la nave Klingon cuando ésta se materializa a varios segundos-luz de distancia —algo imposible, ya que ninguna onda de radar puede viajar más rápido que la luz— y al contrario que el sufrido salto al hiperespacio que permite a la tripulación de Star Trek pasearse por la galaxia en un abrir y cerrar de ojos, el efecto que acabamos de describir viene dictado por las leyes de la física.

De hecho, aunque el episodio que acabamos de relatar no es más que un experimento mental, refleja las ideas más importantes de un experimento real, el que realizaron los físicos Michelson y Morley allá por 1890.

A finales de 1880, el físico norteamericano Albert Michelson, con la ayuda de Edward Morley, puso en marcha un experimento cuyo objetivo era mediar la velocidad de la Tierra con respecto al éter. Para ello construyeron un aparato que dividía un haz de luz en otros dos, perpendiculares entre sí. Cada uno de estos haces secundarios se dirigía a un espejo que lo reflejaba de vuelta. Los haces reflejados se recombinaban y era examinados con la ayuda de un microscopio.

El interferómetro de Michelson y Morley lanzaba un rayo de luz a un espejo que su vez dividía el rayo en 2 rayos secundarios perpendiculares entre sí. Los rayos perpendiculares se reflejaban de nuevo en el interferómetro hasta acabar reuniéndose en un detector. La orientación del sistema completo podía cambiarse, de tal manera que se exploraran todas las direcciones hasta dar con aquella en la que la tierra se movía exactamente a favor del viento del éter con velocidad v y observar una diferencia máxima de velocidad entre los dos rayos (v + c en uno, c en el otro.) El experimento arrojó resultados negativos, demostrándose que la velocidad de la luz era siempre la misma.

La idea era la siguiente: la Tierra se mueve a través del éter, igual que el Ondine de mi padre se movía a través del aire de mi infancia y al igual que el viento de verano entraba por las ventanillas, la brisa del éter debe soplar a través del planeta. El éter es demasiado ligero para que lo sintamos (no podemos hacer planear nuestras manos en él) pero la luz, con su tremenda velocidad, sí puede. Un haz de luz que viaje contra la brisa del éter debería moverse más despacio, con respecto a la Tierra, que un haz de luz que viaje a favor de esa brisa, mientras que un haz que se mueve transversalmente tiene una velocidad a medio camino entre ambos. Por tanto, cuando Michelson y Morley enviaron sus pulsos de luz en direcciones diferentes, esperaban que los haces volvieran en tiempos ligeramente diferentes debido a su distinta orientación con respecto al sistema de referencia del éter.

Ya hemos dicho que la luz es una onda consistente en crestas y valles. Cuando el haz principal era dividido en dos haces secundarios, las crestas y valles de estos dos haces estaban exactamente sincronizados, esto es, cada cresta de uno de los haces secundarios se correspondía exactamente a una cresta del otro haz. Pero si al recombinarse los tiempos en los que llegaban eran ligeramente diferentes, entonces la cresta de uno de los haces ya no coincidía exactamente con la del otro. Si el desfase era lo bastante grande, era posible que una cresta coincidiera con un valle, produciendo así un patrón de interferencia destructiva que se traducía en una reducción drástica de la intensidad de la luz. La técnica, por lo tanto, consistía en medir cuidadosamente la intensidad de la luz que se recibía a medida que iban moviendo el aparato en distintas direcciones.

El resultado es un clásico de la historia de la ciencia. La intensidad de la luz era siempre la misma. Para explicar esos resultados hay que admitir que la Tierra está en reposo con respecto al éter, lo que a su vez obligaría a admitir que nuestro planeta no se mueve alrededor del Sol, sino que éste y el resto de los astros del firmamento son los que giran entorno a la Tierra. El dilema de los físicos del novecento era, pues, seguir postulando la existencia de una substancia invisible que además obligaba a resucitar los epicilos y un modelo el universo geocéntrico, o admitir que la velocidad de la luz era la misma en todos los sistemas de referencia.

El experimento de Michelson y Morley se ha confirmado por docenas de experimentos similares, cada vez más precisos, realizados a lo largo de más de un siglo siempre con idéntico resultado. La velocidad de la luz es siempre la misma en todas las direcciones. Pero si esto es así, ¿qué sentido tiene hablar de un sistema de referencia especial contra el cual medir las velocidades de los objetos? El éter deja de ser necesario para establecer el valor absoluto de c ya que c vale siempre lo mismo, tanto si medimos flotando inmóviles en el espacio —pero sabemos que nadie flota inmóvil en el espacio, el sistema solar se mueve velozmente con respecto al centro de la galaxia— como si lo hacemos a bordo de la más veloz de las naves espaciales.

Y si el éter deja de ser necesario… ¿por qué no prescindir de él? Cierto, todavía tenemos el pequeño problema de explicar cómo se propagan las ondas electromagnéticas en el vacío, pero es un problema que no parece más arduo que el de tratar con un medio intangible e indetectable.

En cierto modo, la teoría especial de la relatividad no hace honor a su nombre en tanto en cuanto nos proporciona una receta absoluta, una medida (la velocidad de la luz) en la que todos los observadores están de acuerdo. Las consecuencias de ello, como veremos, no son baladíes. Pero antes de analizarlas convengamos que basta con un absoluto, con una referencia. El éter ha muerto, larga vida a c.

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4 Comentarios

  1. Pongo unos enlaces de cómo se explicaría el resultado del experimento de Michelson-Morley sin necesidad de éter ni de relatividad:
    Primero, el experimento de M-M: http://www.aip.org/history/gap/PDF/michelson.pdf
    Y aquí la explicación: se basa en que la luz no viaja solidaria al movimiento de las piezas del interferómetro (es decir, al movimiento de la Tierra), y en la disposición del espejo semireflectante en ángulo de 45º: http://espacioytiempo.net/modulos/archivos/files/RECALCULANDO%20MICHELSON-MORLEY.pdf
    Para mí todo lo que se explica es perfectamente lógico. El autor es Francisco J. Carbajal: http://espacioytiempo.net/el-autor/ http://espacioytiempo.net/es/debate-sobre-el-experiemtno-michelson-morley/
    Pero hay otra cuestión: en el experimento M-M la luz se propaga por el aire, el cual se mueve solidario a la Tierra. Si la luz se propaga por un medio en reposo para ella, es normal que no haya diferencias de tiempo entre los dos recorridos: http://es.wikipedia.org/wiki/Interfer%C3%B3metro_de_Fizeau#Supuesto_error_de_Michelson_y_Morley
    Resulta que tanto si consideramos que la luz se mueve solidaria a la Tierra como si no, el resultado del experimento M-M queda explicado sin apelar a la relatividad ni al éter. En el primer caso, porque la Tierra no se mueve para la luz. En el segundo, por la propia disposición del aparato. Es decir, el dispositivo dará siempre el mismo resultado: ausencia de patrón de interferencia. Incluso haciendo el experimento en el espacio.

  2. El razonamiento no es correcto, como puedes ver sin mas que imaginarte que haces el experimento con balas en lugar de con luz. En cuanto a la relatividad, como creo que ya he comentado y comentare mas veces, el experimento de MM fue solo un primer paso. Los efectos relativistas, incluyendo el de dilatacion temporal y la relacion e=mc2 se mide con gran precision con particulas elementales en experimentos en el CERN y en otros lugares (por ejemplo los experimentos de rayos cosmicos o los experimentos de neutrinos). Tambien existen bastantes y muy contundentes versiones modernas del experimento de MM.

    En todo caso, es una actitud muy cientifica la de no creerse un experimento y buscar explicaciones alternativas y experimentos diferentes. Fijate que este blog se origino por un experimento, el de Opera, cuyo resultado no me creo, pero que si fuera cierto revolucionaria la fisica…

    Gracias!

  3. Las balas tienen masa, y por tanto inercia: tienden a permanecer en el estado de reposo o movimiento en el que se encuentran. Por eso haciendo el experimento MM con balas, las balas llevarían al movimiento de la Tierra, y por tanto la bala que se mueve perpendicularmente al movimiento de avance de la Tierra impactaría en el centro del espejo, ya que avanzaría con la Tierra (y por tanto con el espejo al que se dirije) además de avanzar perpendicularmente. Son dos movimientos a la vez los que lleva la bala: se mueve en el eje X por la inercia del movimiento de la Tierra, y se mueve en el eje Y (hacia el espejo) por el disparo.
    Pero la luz no tiene inercia, o eso suponemos. Por tanto el rayo sólo se movería en el eje Y, impactando detrás del centro del espejo, ya que el espejo sí avanza solidariamente con la Tierra. Esto sería lo lógico haciendo el experimento MM en el vacío.
    Ahora bien, en realidad la luz del experimento MM se está transmitiendo por el aire, aire que está en reposo respecto al interferómetro, por tanto es como si se transmitiera por agua en reposo en el interferómetro de Fizeau, y sabemos que en ese caso -agua en reposo- el interferómetro de Fizeau no muestra franjas de interferencia. Por lo tanto en el experimento MM no tenemos que considerar el movimiento de la Tierra, sino el movimiento del aire, que es nulo. Como v=0, la luz recorre la misma longitud y a la misma velocidad en ambos espejos. Pero aunque quisiéramos considerar el movimiento de la Tierra, lo que vemos es que la luz se mueve arrastrada por el aire en el cual se transmite, por tanto impacta en el centro del espejo, como proponen MM, pero no porque tenga la inercia del movimiento de la Tierra, sino porque es «llevada» por el aire que se mueve con la Tierra. En el caso del otro rayo, la luz se mueve más deprisa y más despacio en los dos trayectos de ida y vuelta, pero eso es respecto de un observador externo a la Tierra, «fijo» en el espacio, y no respecto de un observador solidario con la Tierra. Y como lo que pretendendían medir MM era el desfase respecto a la Tierra, no observaron tal desfase, porque PARA LA LUZ el medio de transmisión, que era el aire, estaba en reposo. Por tanto para la luz en el experimento MM no hay movimiento de la Tierra, como no lo hay en el experimento de Fizeau.
    Estoy hablando de movimiento de la Tierra en lugar del viento del éter, pues doy por hecho que no existe el éter. Lo que pasa es que el efecto del movimiento de la Tierra sería el mismo que el del viento del éter, es decir: adición y sustración de la velocidad de la Tierra a la velocidad de la luz en los viajes de ida y vuelta del rayo.
    Imaginemos dos peces en una pecera cuadrada, uno yendo y viendo de un lado a otro de la pecera, y el otro nadando en sentido perpendicular también de un lado al otro. Cada ida o venida le cuesta a cada pez 12 coletazos. Pues bien, aunque la pecera se mueva con velocidad constante, los peces tardan siempre el mismo tiempo en recorrer cada trayecto, y dan los mismos 12 coletazos en cada trayecto, ya que EL AGUA ESTÁ EN REPOSO para ellos. Solo para un observador externo, «fijo» en el espacio, los peces han recorrido distancias distintas. La luz es como los peces, y los coletazos son el número de ondas que le lleva a la luz recorrer el trayecto: la luz, igual que los peces, no nota el movimiento de la Tierra / pecera.

  4. El experimento de M y M demuestra que la velocidad de la luz no puede ser constante nunca, ni en el vacío.
    La velocidad de la luz real es la que vería un observador fijo en el espacio y no la que apreciaría un observador al lado del interferómetro.

    Todos los intentos por medir la velocidad de la luz, siempre han dado como resultado velocidades diferentes pero, increíblemente y llevando la contraria, se decretó que la velocidad de la luz fuera constante.

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