Algunos científicos han calificado al experimento de Michelson-Morley como una de las tentativas científicas fallidas más importantes de la historia de la Física. Se considera fallida en el sentido de que con el experimento se intentaba probar la existencia de un elemento (el éter), que no había sido detectado y se necesitaba probar su existencia para poder dar una explicación a la propagación de las ondas electromagnéticas.
La hipótesis de la existencia del éter enlazaba con la suposición de la existencia de un quinto elemento (o quintaesencia) de la física griega. El éter de los griegos debía llenar los espacios vacíos por encima del aire y el fuego, que ocupaban la parte superior del mundo, y por él los astros se desplazaban eterna y majestuosamente. Los físicos consideraban que, de igual manera que las ondas sonoras necesitaban un medio material para propagarse, ya fuera aire, agua, metal o cualquier otra sustancia y no se propagaban en un recinto en el que se hubiera hecho el vacío, las ondas luminosas también debían moverse sobre un medio material. Sin embargo, la luz del Sol, que era una onda electromagnética, llegaba a la Tierra través del espacio vacío. Y los físicos pensaron que en el espacio interestelar podría existir alguna sustancia sutil, no detectada hasta entonces, por la que la luz se pudiera propagar.
La hipótesis de la existencia del éter les parecía arbitraria a algunos físicos, ya que este elemento no intervenía en ningún proceso físico. Se suponía que el éter debía llenar el espacio, incluso ocupar los espacios intermoleculares, pero no producía ningún rozamiento con la materia y era pura especulación indetectable. En la historia de la Física, ya se había supuesto la existencia de algunos elementos hipotéticos que luego se demostró que no existían, por ejemplo, el flogisto, sustancia que tenían todos los cuerpos y provocaba su combustión, o el calórico, que era un fluido que contenían todos los cuerpos (el calor) y explicaba la transferencia de calor de un cuerpo a otro.
Como la existencia del éter era una hipótesis emitida sin base experimental, y algunos físicos dudaban de su existencia, se hacía necesario diseñar algún experimento para confirmar su existencia y así poder aceptarlo o desecharlo. No obstante, había que responder, además de la pregunta crucial, si la luz era una onda se propagaba cuál era el medio que oscilaba ¿Por qué en las leyes de Maxwell la velocidad de la luz en el vacío aparecía como una constante?
¿Con respecto a qué era constante la velocidad de la luz? ¿En qué sistema de referencia se movía la luz? En la Mecánica Clásica las velocidades observadas dependían del sistema de referencia y que la velocidad de la luz en el vacío fuera constante en cualquier sistema de referencia desconcertaba a los científicos, que pensaban que la velocidad de la luz, como la velocidad de cualquier móvil dependía del sistema de referencia desde el que se midiera, según se muestra en el esquema siguiente:
1.- EL DISEÑO DEL EXPERIMENTO Y LO QUE SE DESEABA ENCONTRAR
El físico experimental L. Foucault (1819 – 1868) midió, en 1850, la velocidad de la luz en el agua y demostró que era menor que la velocidad en el aire, lo que apoyaba la teoría ondulatoria de la luz; el descubrimiento daba un golpe a la naturaleza corpuscular de la misma. En 1862, utilizando un aparato con un espejo rotatorio, consiguió medir con gran precisión, la velocidad de la luz desde la Tierra. Pero considerando que la velocidad de la luz seguía las leyes de la mecánica clásica y, por lo tanto por las transformaciones de Galileo, por loas que las velocidades dependían del sistema de referencia desde el que se medían. No obstante, las leyes de Maxwel mostraban una velocidad de la luz en el vacío constante con independencia del sistema de referencia. Este sistema de referencia se podría identificar con el espacio absoluto con el cual, el hipotético éter, debía estar relacionado.
Precisamente, los físicos intentaron probar la existencia del éter suponiendo que formaba parte de la arquitectura estática del espacio absoluto y que, por consiguiente, el éter debía estar en reposo (también absoluto). La dificultad de detectarlo era evidente, el éter no producía rozamiento con la materia, puesto que no era parte de ella. sino del espacio absoluto, que era recipiente en el que se desenvolvía el mundo físico.
Para detectar la existencia del éter se pensó que la Tierra, en su movimiento orbital de velocidad 30 km/s, cuando se movía en el espacio vacío, supuestamente rellenado por el éter, debería sentir, igual que un motorista cuando se mueve en una atmósfera en calma, un fuerte viento en su cara, un viento del éter y, por consiguiente, las ondas luminosas, cuando avancen en el mismo sentido que el viento del éter deberán llevar más velocidad que cuando lo hagan en sentido contrario, que serán retardadas.
Como la luz es una onda electromagnética, tiene una velocidad de 300.000km/s y la Tierra en su órbita tiene una velocidad aproximada de 30km/s. Poe lo tanto la diferencia de velocidades en un sentido y en otro debía ser de 60km/s.
Determinar esa diferencia entre velocidades tan elevadas entrañaba una enorme dificultad. Era como hacer la Foto de llegada (Foto finish) a unos atletas ultrarrápidos, que, en una carrera, habían llegado a meta con una diferencia de escasas milésimas de segundo, además, para ser precisos en las mediciones, había que garantizar que los dos rayos de luz habían tomado la salida a la vez. La dificultad para garantizar estas precisiones era tan grande que no se podían alcanzar utilizando una cinta métrica y cronómetros, por lo que se utilizó un aparato llamado interferómetro, cuyo diseño y precisión se basaba en el fenómeno de la difracción de la luz.
Pero, en lugar de medir la velocidad de la luz en sentidos opuestos, como sugería la idea de primitiva del viento del éter que experimentaría la Tierra en su desplazamiento orbital, A. A. Michelson (1852-1931) encontró más cómodo comparar las velocidades en direcciones perpendiculares. Según se representa en el gráfico.
El experimento consistía en una luz monocromática que procedía de una fuente de luz de sodio a la izquierda del dibujo. La luz amarilla incidía sobre un semiespejo, que dividía la luz monocromática en dos haces, uno seguía la misma dirección y el otro haz se desplaza en dirección perpendicular. El experimento, de alguna forma, consistiría en detectar la diferencia de tiempos de ambos rayos (en rojo y verde en el esquema gráfico) desde el foco emisor al receptor
El efecto del viento del éter sobre las ondas luminosas actuaría del mismo modo que lo haría corriente de un río sobre un nadador: En el tramo horizontal, de longitud L1, sería semejante a cuando el nadador parte de un punto (el centro del semiespejo) y, nadando en contra de la corriente, volviera al punto de partida con la corriente a favor. En el tramo vertical, de longitud L2, el nadador atravesaría perpendicularmente el viento del éter; partiría de un punto de la orilla de un río (el centro del semiespejo), para alcanzar un punto en la orilla opuesta situado frente a él y volvería al punto de partida.
Con este dispositivo se lograba en el laboratorio enviar simultáneamente dos rayos de luz (ya que partían de la misma fuente luminosa) en direcciones perpendiculares, hacerles recorrer distancias iguales y recibirlos en un aparato receptor, donde se crearía un patrón de interferencia que dependería de diferencia de velocidades de la luz en los dos brazos del interferómetro.
(Hagamos L1 = L2)
Tiempo esperado en el recorrido verde, si se suman las velocidades (el nadador va contracorriente y vuelve al punto de partida):
Tiempo esperado en el recorrido rojo (el nadador atraviesa perpendicularmente la corriente)
Con esos supuestos se espera un desfase en el tiempo de llegada al receptor de la luz de sodio:
Si v es 30 km /s y c = 300.000 Km/s y L1 = 11m.
El desfase está en el rango del periodo de las ondas de emisión, que para el sodio es:
λNa = 5,89·10-7m ≈ 6·10-7 m ⇒ TNa = 6·10-7/ c ⇒ TNa = 6·10-7/ 3·108 ⇒ TNa = 2·10-15 s
girando brazos del interferómetro se tenía que notar el número de ciclos que se desplazaban y observar las interferencias.
La resolución del interferómetro era suficiente para detectar pequeños desplazamientos en las franjas de interferencias, especialmente cuando se comparasen distintas medidas efectuadas al girar el interferómetro. En el experimento que realizaron en julio de 1887 no encontraron variaciones en las franjas de interferencias. Para cualquier orientación del interferómetro las franjas de interferencias permanecían, sin desplazarse, en la misma posición.
Consecuencias y comentarios
Para cualquier orientación de los rayos de la luz respecto a la dirección del movimiento orbital terrestre no se detectó viento del éter y como la Tierra se mueve era imposible no se detectara el viento del éter. La conclusión lógica era que el éter no debía existir. Pero todavía algunos plantearon la posibilidad de que la Tierra arrastrara consigo al éter de modo análogo a lo que sucede con la atmósfera y, por lo tanto, estaría en reposo respecto a la Tierra.
Michelson pensó que si la hipótesis del arrastre fuera cierta, el arrastre del éter se reduciría a medida que la gravedad disminuyera, por lo que repitió el experimento a gran altura y obtuvo los mismos resultados negativos. Por lo que la teoría de la ausencia del viento del éter porque la Tierra la tierra lo arrastraba se descartó y con ella la propia existencia del éter y se aceptó que la velocidad de la luz se propagaba en el vacío con una velocidad c independientemente del movimiento de la fuente emisora o del movimiento del observador.
