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hipótesis del arrastre del éter

En el siglo XIX, la teoría del éter luminífero como medio hipotético para la propagación de ondas luminosas fue ampliamente debatida. La hipótesis del éter surgió porque los fís...

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En el siglo XIX, la teoría del éter luminífero como medio hipotético para la propagación de ondas luminosas fue ampliamente debatida. La hipótesis del éter surgió porque los físicos de la época no podían concebir que las ondas luminosas se propagaran sin un medio físico. Cuando los experimentos no lograron detectar el hipotético éter luminífero, los físicos idearon explicaciones para dicho fracaso que preservaron la existencia del éter hipotético.

La hipótesis del arrastre del éter proponía que el éter luminífero es arrastrado o incorporado a la materia en movimiento. Según una versión de esta hipótesis, no existe movimiento relativo entre la Tierra y el éter. Según otra versión, la Tierra sí se mueve con respecto al éter y la velocidad medida de la luz debería depender de la velocidad de este movimiento («viento etéreo»), que debería ser medible mediante instrumentos en reposo en la superficie terrestre. En 1818, Augustin-Jean Fresnel propuso que el éter es parcialmente incorporado a la materia. En 1845, George Stokes propuso que el éter es completamente incorporado a la materia o en sus proximidades.

Aunque 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). Hendrik Lorentz resolvió esta situación contradictoria en su propia teoría del éter , que descartó cualquier forma de arrastre del éter. La teoría especial de la relatividad de Albert Einstein (1905) excluye al éter como medio mecánico. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

En la física moderna (basada en la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica ), el éter, como «sustancia material» con un «estado de movimiento», ya no desempeña ningún papel. Por lo tanto, la comunidad científica ya no considera relevantes las preguntas sobre un posible «arrastre del éter». Sin embargo, el arrastre de marcos de referencia, predicho por la relatividad general , en el que las masas en rotación distorsionan la métrica del espacio-tiempo , provocando una precesión de la órbita de las partículas cercanas, sí existe. Pero este efecto es muchísimo más débil que cualquier «arrastre del éter» analizado en este artículo.

Arrastre parcial de éter

En 1810, François Arago se percató de que las variaciones en el índice de refracción de una sustancia, predichas 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 el grado de refracción de los corpúsculos de luz mediante un prisma de vidrio situado frente a un telescopio. Esperaba encontrar una gama de ángulos de refracción diferentes debido a la variedad de velocidades de las estrellas y al movimiento de la Tierra en distintos momentos del día y del año. Contrariamente a esta expectativa, descubrió que no existía diferencia en la refracción entre estrellas, entre momentos del día ni entre estaciones. Arago solo observó 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 chocar con las ondas incidentes a diferentes velocidades cuando la Tierra rotaba y las estaciones cambiaban. Fresnel propuso que el prisma de vidrio transportaría parte del éter consigo, de modo que "...el éter estaría en exceso dentro del prisma". [ 5 ] Se dio cuenta de que la velocidad de propagación de las ondas depende de la densidad del medio y, por lo tanto, propuso que la velocidad de la luz en el prisma tendría que ajustarse mediante una cantidad de "arrastre". La velocidad de la luzvnorte{\displaystyle v_{n}}En el vaso, sin ningún ajuste, viene dado por:

vnorte=donorte{\displaystyle v_{n}={\frac {c}{n}}}

El ajuste de arrastrevd{\displaystyle v_{d}}está dado por:

vd=v(1−ρmiρgramo){\displaystyle v_{d}=v\left(1-{\frac {\rho _{e}}{\rho _{g}}}\right)}

Dóndeρmi{\displaystyle \rho _{e}}es la densidad del éter en el entorno,ρgramo{\displaystyle \rho _{g}}es la densidad del éter en el vidrio yv{\displaystyle v}es la velocidad del prisma con respecto al éter.

El factor(1−ρmiρgramo){\displaystyle \left(1-{\frac {\rho _{e}}{\rho _{g}}}\right)}se puede escribir como(1−1norte2){\displaystyle \left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}porque el índice de refracción, n, dependería de la densidad del éter. Esto se conoce como coeficiente de arrastre de Fresnel . La velocidad de la luz en el vidrio viene dada entonces por:

V=donorte+v(1−1norte2){\displaystyle V={\frac {c}{n}}+v\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}

Esta corrección logró explicar el resultado nulo del experimento de Arago. Introduce el concepto de un éter prácticamente estacionario, arrastrado por sustancias como el vidrio pero no por el aire. Su éxito favoreció la teoría ondulatoria de la luz sobre la anterior teoría corpuscular.

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 de deriva del éter óptico lo suficientemente sensibles como para detectar efectos de primer orden (como los experimentos de Arago, Fizeau, Hoek, Airy y 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 en el siglo XIX se sabía que el arrastre parcial del éter requiere que la velocidad relativa del éter y la materia sea diferente para la luz de diferentes colores, lo cual evidentemente no es el caso.
  • La teoría de Fresnel sobre un éter (casi) estacionario predice resultados positivos en experimentos lo suficientemente sensibles como para detectar efectos de segundo orden. Sin embargo, experimentos como el de Michelson-Morley y el de Trouton-Noble arrojaron 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 trayectoria común . Se instalaron enormes bloques de plomo a ambos lados de una sola pata del interferómetro. Esta disposición debería provocar diferentes cantidades de arrastre del éter y, por lo tanto, producir un resultado positivo. Sin embargo, el resultado fue nuevamente negativo. [ 6 ]

Arrastre completo de éter

Para George Stokes (1845), el modelo de un éter totalmente inafectado o solo parcialmente afectado por la materia en movimiento era antinatural y poco convincente, por lo que supuso que el éter es arrastrado completamente dentro y en las proximidades de la materia, parcialmente arrastrado a mayores distancias y permanece en reposo en el espacio libre. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] Asimismo, Heinrich Rudolf Hertz (1890) incorporó un modelo completo de arrastre del éter en su elaboración de la teoría del electromagnetismo de Maxwell, para armonizarla con el principio de relatividad galileano . Es decir, si se supone que el éter está en reposo dentro de la materia en un sistema de referencia, la transformación galileana da como resultado que la materia y el éter (arrastrado) viajan a la misma velocidad en otro sistema de referencia. [ 1 ]

Problemas del arrastre completo del éter

La máquina de éter de Lodge. La luz procedente de un interferómetro de trayectoria común de alta sensibilidad se guiaba entre los discos que giraban rápidamente.

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 la luz.
  • El efecto Sagnac demuestra que dos rayos de luz, que emanan de la misma fuente luminosa en direcciones diferentes sobre una plataforma giratoria, tardan tiempos distintos en regresar a la fuente. Sin embargo, si la plataforma arrastra completamente el éter, este efecto no debería producirse.
  • Oliver Lodge realizó experimentos en la década de 1890, buscando evidencia de que la propagación de la luz se ve influenciada por estar cerca de grandes masas giratorias, y no encontró tal influencia. [ 12 ] [ 13 ]
El arrastre completo del éter es incompatible con el fenómeno de la aberración estelar. En esta ilustración, imaginemos que las estrellas están infinitamente distantes. La aberración se produce cuando la velocidad del observador tiene una componente perpendicular a la trayectoria de la luz que incide desde la estrella. Como se observa en la animación de la izquierda, es necesario inclinar el telescopio para que la estrella aparezca en el centro del ocular. Como se observa en la animación de la derecha, si el éter se arrastra cerca de la Tierra, el telescopio debe apuntar directamente a la estrella para que esta aparezca en el centro del ocular.
  • Es incompatible con el fenómeno de la aberración estelar . En la aberración estelar, la posición de una estrella, vista con un telescopio, oscila a cada lado de una posición central unos 20,5 segundos de arco cada seis meses. Esta oscilación es la esperada considerando la velocidad de la Tierra en su órbita. En 1871, Airy demostró que la aberración estelar se produce 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, ya que la luz viajaría en el éter, que se movería junto con el telescopio. Imaginemos un cubo en un tren a punto de entrar en un túnel, y una gota de agua cae desde la entrada del túnel al cubo justo en el centro. La gota no llegará al centro del cubo. El cubo es análogo al tubo de un telescopio, la gota es un fotón y el tren es la Tierra. Si el éter se arrastrara, la gota viajaría con el tren al caer y llegaría al centro del cubo. La cantidad de aberración estelar,α{\displaystyle \alpha }, viene dado por:
broncearse⁡(α)=vδtdoδt.{\displaystyle \tan(\alpha )={\frac {v\delta t}{c\delta t}}.}Entonces:broncearse⁡(α)=vdo{\displaystyle \tan(\alpha )={\frac {v}{c}}}
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 daα{\displaystyle \alpha }= 20,5 segundos de arco cada seis meses. Se observa esta cantidad de aberración, lo que contradice la hipótesis del arrastre total del éter.

Las respuestas de Stokes a esos problemas

Ya en 1845, Stokes introdujo algunas suposiciones adicionales para armonizar su teoría con los resultados experimentales. Para explicar la aberración, supuso que su éter incompresible también era irrotacional, lo que, en combinación con su modelo específico de arrastre del éter, daría lugar a la ley de aberración correcta. [ 7 ] Para reproducir el coeficiente de arrastre de Fresnel (y, por lo tanto, explicar el experimento de Fizeau), argumentó que el éter es arrastrado completamente dentro de un medio; es decir, el éter se condensa al entrar en el medio y se rarefacta al salir de él, 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, si el éter es incompresible como en la teoría de Stokes, y si el éter tiene la misma componente normal de velocidad que la Tierra, no tendría la misma componente tangencial de velocidad, por lo que no se pueden cumplir todas las condiciones planteadas por Stokes al mismo tiempo. [ 14 ]

arrastre gravitacional del éter

Otra versión del modelo de Stokes fue propuesta por Theodor des Coudres y Wilhelm Wien (1900). Asumieron que el arrastre del éter es proporcional a la masa gravitacional. Es decir, el éter es arrastrado completamente por la Tierra, y solo parcialmente por objetos más pequeños en la Tierra. [ 15 ] Y para salvar la explicación de Stokes sobre la aberración, Max Planck (1899) argumentó en una carta a Lorentz que el éter podría no ser incompresible, sino condensado por la gravedad en las proximidades de la Tierra, y esto daría las condiciones necesarias para la teoría de Stokes ("teoría de Stokes-Planck"). En comparación 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 no arrastrar en absoluto) 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 arrastrado completamente por la gran masa de la Tierra.

Sin embargo, esta teoría fue refutada directamente por el experimento de Michelson-Gale-Pearson (1925). La gran diferencia de este experimento con respecto a los experimentos habituales de Sagnac radica en que se midió la rotación de la Tierra misma. Si el éter es arrastrado completamente por el campo gravitatorio terrestre , cabría esperar un resultado negativo; sin embargo, el resultado fue positivo. [ 11 ]

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 del éter de 50 000 veces. Por lo tanto, Lorentz y el propio Planck rechazaron esta hipótesis por improbable. [ 1 ] [ 16 ]

Lorentz y Einstein

Dado que Lorentz se vio obligado a abandonar la hipótesis de Stokes, eligió el modelo de Fresnel como punto de partida. Logró 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 del éter. Por lo tanto, el éter de Lorentz es completamente estacionario o inmóvil. Sin embargo, esto conduce al mismo problema que ya aquejaba al modelo de Fresnel: entraba en contradicción con el experimento de Michelson-Morley. Por consiguiente, 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 factor1−v2/do2{\displaystyle {\sqrt {1-v^{2}/c^{2}}}}Además, en la teoría de Lorentz, la transformación galileana 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 bastaba con asumir el principio de relatividad y la constancia de la velocidad de la luz en todos los sistemas de referencia inerciales para desarrollar la teoría de la relatividad especial y derivar la transformación de Lorentz completa. Todo esto se logró sin utilizar el concepto de éter estacionario. [ 18 ]

Como demostró Max von Laue (1907), la relatividad especial predice el resultado del experimento de Fizeau a partir del teorema de adición de velocidades sin necesidad de un éter.V{\displaystyle V}es la velocidad de la luz relativa al aparato de Fizeau yU{\displaystyle U}es la velocidad de la luz en relación con el agua yv{\displaystyle v}es la velocidad del agua:

U=donorte{\displaystyle U={\frac {c}{n}}}
V=do/norte+v1+v/nortedo{\displaystyle V={\frac {c/n+v}{1+v/nc}}}

que, si v/c es pequeño, se puede expandir utilizando la expansión binomial para convertirse en:

V≈donorte+v(1−1norte2){\displaystyle V\approx {\frac {c}{n}}+v\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)}

Esto es idéntico a la ecuación de Fresnel . [ 19 ]

hipótesis del éter de Allais

Maurice Allais propuso en 1959 una hipótesis del éter que implicaba una velocidad del viento de aproximadamente 8  km/s, mucho menor que el valor estándar de 30  km/s apoyado por los científicos del siglo XIX, y compatible con los experimentos de Michelson-Morley y el controvertido [ 20 ] Dayton Miller , [ 21 ] así como con sus propios experimentos. [ 22 ] [ 23 ] El controvertido efecto Allais no está predicho por la relatividad general y sus resultados experimentales han sido cuestionados. [ 24 ] : 211 [ 25 ] [ 26 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 Whittaker, Edmund Taylor (1910), Historia de las teorías del éter y la electricidad (1.ª  ed.), Dublín: Longman, Green and Co.
  2. 1 2 Jannsen, Michel; Stachel, John (2008), La óptica y la electrodinámica de los cuerpos en movimiento (PDF)
  3. 1 2 Rafael Ferraro; Daniel M Sforza (2005), "Arago (1810): el primer resultado experimental contra el éter", Eur. J. Phys. , 26 (1): 195– 204, arXiv : physics/0412055 , Bibcode : 2005EJPh...26..195F , doi : 10.1088/0143-0807/26/1/020 , S2CID 119528074 
  4. ^ Arago, A. (1810–1853), "Mémoire sur la vitesse de la lumière, lu à la prémière classe de l'Institut, le 10 décembre 1810", Comptes Rendus de l'Académie des Sciences , 36 : 38– 49
  5. ^ Fresnel, A. (1818), "Lettre de M. Fresnel à M. Arago sur l'influence du mouvement terrestre dans quelques phénomènes d'optique", Annales de Chimie et de Physique , 9 : 57–66 (septiembre de 1818), 286–7 (noviembre de 1818); reimpreso en H. de Senarmont, E. Verdet y L. Fresnel (eds.), Oeuvres complètes d'Augustin Fresnel , vol.2 (1868), págs. 627–36 ; traducido como "Carta de Augustin Fresnel a François Arago, sobre la influencia del movimiento de la tierra en algunos fenómenos de la óptica" en KF Schaffner, Nineteenth-Century Aether Theories , Pergamon, 1972 ( doi : 10.1016/C2013-0-02335-3 ), pp.125–35; también traducido (con varios errores) por RRTraill como "Carta de Augustin Fresnel a François Arago sobre la influencia del movimiento terrestre en varios fenómenos ópticos", General Science Journal , 23de enero de 2006 ( PDF, 8 pp. ).   
  6. ↑ GW Hammar (1935), "La velocidad de la luz dentro de un recinto masivo", Physical Review , 48 (5): 462– 463, Bibcode : 1935PhRv...48..462H , doi : 10.1103/PhysRev.48.462.2
  7. 1 2 Stokes, George Gabriel (1845), "Sobre la aberración de la luz" , Philosophical Magazine , 27 (177): 9–15 , doi : 10.1080/14786444508645215 
  8. 1 2 Stokes, George Gabriel (1846), "Sobre la teoría de Fresnel de la aberración de la luz" , Philosophical Magazine , 28 (185): 76–81 , doi : 10.1080/14786444608645365 
  9. ↑ Stokes, George Gabriel (1846), "Sobre la constitución del éter luminífero, vista con referencia al fenómeno de la aberración de la luz" , Philosophical Magazine , 29 (191): 6–10 , doi : 10.1080/14786444608562589 
  10. ↑ Stokes, George Gabriel (1848), "Sobre la constitución del éter luminífero" , Philosophical Magazine , 32 : 343–349 , doi : 10.1080/14786444808645996 
  11. ^ Georg Joos : Lehrbuch der theoretischen Physik. 12. edición, 1959, página 448
  12. ↑ Lodge, Oliver J. (1893), "Problemas de aberración" , Philosophical Transactions of the Royal Society A , 184 : 727–804 , Bibcode : 1893RSPTA.184..727L , doi : 10.1098/rsta.1893.0015
  13. ↑ Lodge, Oliver J. (1897), "Experimentos sobre la ausencia de conexión mecánica entre el éter y la materia" , Philosophical Transactions of the Royal Society A , 189 : 149–166 , Bibcode : 1897RSPTA.189..149L , doi : 10.1098/rsta.1897.0006 
  14. ^ Lorentz, Hendrik Antoon (1886), "De l'influence du mouvement de la terre sur les phénomènes lumineux", Archives Néerlandaises des Sciences Exactes et Naturelles , 21 : 103– 176
  15. ↑ Viena, Wilhelm (1898), "Über die Fragen, welche die traductorische Bewegung des Lichtäthers betreffen (Referat für die 70. Versammlung deutsche Naturforscher und Aerzte in Düsseldorf, 1898)" , Annalen der Physik , 301 (3): I– XVIII .
  16. ↑ Lorentz, HA (1899), "La teoría de la aberración de Stokes en la suposición de una densidad variable del éter" , Proceedings of the Royal Society , 1 : 443–448 , Bibcode : 1898KNAB....1..443L , archivado del original el 4 de abril de 2008
  17. ↑ Lorentz, Hendrik Antoon ( 1904), "Fenómenos electromagnéticos en un sistema que se mueve con cualquier velocidad menor que la de la luz" , Actas de la Real Academia Neerlandesa de Artes y Ciencias , 6 : 809–831 
  18. ^ Einstein, Albert (1905), "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento" , Annalen der Physik , 322 (10): 891– 921, Bibcode : 1905AnP...322..891E , doi : 10.1002/andp.19053221004.
  19. ↑ Laue, Max von (1907), "Die Mitführung des Lichtes durch bewegte Körper nach dem Relativitätsprinzip" [ El arrastre de la luz por los cuerpos en movimiento de acuerdo con el principio de la relatividad ] , Annalen der Physik (en alemán), 23 (10): 989– 990, Bibcode : 1907AnP...328..989L , doi : 10.1002/andp.19073281015
  20. ↑ Shankland, RS; McCuskey, SW; Leone, FC; Kuerti, G. (1955-04-01). "Nuevo análisis de las observaciones interferométricas de Dayton C. Miller" . Reviews of Modern Physics . 27 (2): 167– 178. Bibcode : 1955RvMP...27..167S . doi : 10.1103/RevModPhys.27.167 . ISSN 0034-6861 . 
  21. ↑ Miller, Dayton C. (julio de 1933). "El experimento de la deriva del éter y la determinación del movimiento absoluto de la Tierra". Reviews of Modern Physics . 5 (3): 203– 254. Bibcode : 1933RvMP....5..203M . doi : 10.1103/RevModPhys.5.203 . S2CID 4119615 . 
  22. ↑ Allais, M. (septiembre de 1959). "¿Deberían reconsiderarse las leyes de la gravitación? Parte I: Anomalías en el movimiento de un péndulo paracónico sobre un soporte anisotrópico" (PDF) . Aero/Space Engineering : 46–52 . Archivado del original (PDF) el 20 de julio de 2015. Consultado el 30 de marzo de 2017 .
  23. ↑ Allais, M. (octubre de 1959). "¿Deberían reconsiderarse las leyes de la gravitación? Parte II: experimentos relacionados con las anomalías observadas en el movimiento del péndulo paracónico con soporte anisotrópico" (PDF) . Aero/Space Engineering : 51–55 . Archivado del original (PDF) el 22 de junio de 2016. Consultado el 30 de marzo de 2017 .
  24. ↑ Gillies, George T (1997-02-01). "La constante gravitacional newtoniana: mediciones recientes y estudios relacionados". Reports on Progress in Physics . 60 (2): 151– 225. Bibcode : 1997RPPh...60..151G . doi : 10.1088/0034-4885/60/2/001 . ISSN 0034-4885 . 
  25. ↑ Deloly, Jean-Bernard. "La reevaluación de las observaciones interferométricas de Miller y de las observaciones de Esclangon" . Fundación Maurice Allais .
  26. ↑ Savrov, LA (septiembre de 1989). "Péndulo paracónico: Propuesta para detectar el efecto de apantallamiento gravitatorio durante el eclipse solar total" . Il Nuovo Cimento C. 12 ( 5): 681– 683. Bibcode : 1989NCimC..12..681S . doi : 10.1007/BF02508025 . ISSN 0390-5551 . 

Lecturas adicionales

  • Mathpages: El error de Stokes
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