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Experimento de Michelson y Morley para niños

Enciclopedia para niños
Archivo:Experimento de Michelson y Morley
Esquema del experimento de Michelson y Morley:
[1] Fuente de luz
[2] y [4] Espejo divisor semiplateado
[3] y [3'] Espejos planos
[5] Ocular

El experimento de Michelson y Morley es uno de los experimentos más importantes en la historia de la física. Fue un intento de medir cómo se movía la Tierra a través de algo llamado "éter luminífero". En el siglo XIX, los científicos pensaban que el éter era una sustancia invisible que llenaba todo el espacio y por la que viajaba la luz, como el sonido viaja por el aire.

Este experimento fue realizado entre abril y julio de 1887 por dos físicos estadounidenses, Albert Abraham Michelson (quien ganó el Premio Nobel de Física en 1907) y Edward Morley. Lo hicieron en lo que hoy es la Universidad Case de la Reserva Occidental en Cleveland, Ohio.

El experimento comparó la velocidad de la luz en dos direcciones diferentes, que estaban en ángulo recto entre sí. Querían ver si el movimiento de la Tierra a través del éter (conocido como "viento de éter") afectaba la velocidad de la luz.

El resultado fue sorprendente: no encontraron ninguna diferencia importante en la velocidad de la luz, sin importar la dirección. Este resultado fue una prueba muy fuerte de que la idea del éter no era correcta. También ayudó a sentar las bases para la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein, que cambió nuestra forma de entender el espacio y el tiempo.

Desde entonces, se han repetido experimentos similares muchas veces, con mucha más precisión. Por ejemplo, en 2009, experimentos con cavidades ópticas confirmaron que no hay "viento de éter" con una precisión increíble.

¿Qué es el éter y por qué lo buscaban?

La idea del éter en el siglo XIX

En el siglo XIX, los físicos creían que, así como las ondas de agua necesitan agua para moverse y el sonido necesita aire, la luz también debía necesitar un "medio" para viajar. A este medio lo llamaron "éter". Como la luz puede viajar por el espacio vacío, se pensaba que el éter debía estar en todas partes, incluso en el vacío.

Se creía que el éter tenía propiedades muy extrañas. Por ejemplo, la luz viaja muy rápido a través de él, pero los objetos como la Tierra podían moverse sin sentir ninguna fricción. Los científicos de esa época estaban muy interesados en descubrir las propiedades de este misterioso éter.

El movimiento de la Tierra y el éter

La Tierra gira alrededor del Sol a una velocidad de unos 30 kilómetros por segundo (o 108.000 km/h). Los científicos pensaron en dos posibilidades principales sobre cómo se movería el éter en relación con la Tierra:

  • El éter está quieto y la Tierra solo lo arrastra un poco (idea de Augustin Fresnel en 1818).
  • El éter es arrastrado completamente por la Tierra y se mueve con ella (idea de George Gabriel Stokes en 1844).

La idea de Fresnel, de un éter casi quieto, parecía ser la más aceptada en ese momento. Esto se debía a que otros experimentos, como el de Fizeau (1851), parecían confirmarla.

Archivo:AetherWind-es
Una descripción del concepto de "éter"

Si el éter estuviera quieto y la Tierra se moviera a través de él, entonces debería haber un "viento de éter". Este viento cambiaría de dirección y fuerza según la hora del día y la estación del año. Los científicos pensaron que, al medir la velocidad de la luz en diferentes direcciones y momentos, podrían detectar este movimiento de la Tierra en relación con el éter.

La diferencia esperada en la velocidad de la luz sería muy pequeña. La velocidad de la Tierra en su órbita es solo una centésima parte del uno por ciento de la velocidad de la luz. Por eso, se necesitaban instrumentos muy precisos para detectar este efecto.

Los primeros experimentos

El experimento de Michelson (1881)

Archivo:Michelson1881c
Interferómetro de Michelson de 1881. Este aparato ayudó a Michelson a aprender cómo construir un instrumento más preciso para el experimento de 1887.

Michelson encontró una manera de construir un aparato lo suficientemente preciso para buscar el éter. En 1881, mientras estudiaba en Alemania, usó un prototipo de este aparato.

El aparato que diseñó se llama interferómetro de Michelson. Funcionaba así:

  • Enviaba luz (primero amarilla para ajustar, luego blanca para las mediciones) a un espejo semiplateado.
  • Este espejo dividía el haz de luz en dos rayos que viajaban en ángulo recto entre sí.
  • Cada rayo iba a un espejo al final de un brazo largo y se reflejaba de vuelta al centro.
  • Los dos rayos se volvían a unir en un ocular, creando un patrón de interferencia.

Michelson pensó que si la Tierra se movía a través del éter, un rayo de luz que viajara en la misma dirección que el éter tardaría más en ir y volver que un rayo que viajara perpendicularmente. Esto causaría un pequeño cambio en el patrón de interferencia.

Michelson esperaba ver un cambio de 0.04 franjas (unidades de medida en el patrón). Sin embargo, no observó el cambio esperado. La mayor desviación que midió fue de solo 0.018 franjas, y la mayoría de sus mediciones fueron mucho menores. Él concluyó que la idea de un éter quieto con arrastre parcial no era correcta.

Más tarde, otros científicos le señalaron a Michelson que había cometido un error en sus cálculos. El cambio esperado debería haber sido de solo 0.02 franjas. Su aparato no era lo suficientemente preciso para sacar conclusiones definitivas. Pero el experimento demostró que el método básico era prometedor.

El famoso experimento de Michelson y Morley (1887)

Archivo:Michelson morley experiment 1887
Instalación interferométrica de Michelson y Morley, montada sobre una losa de piedra que flotaba en un canal circular de mercurio.
Archivo:On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether - Fig 4
Este diagrama muestra el camino de la luz en el interferómetro de Michelson y Morley, con un recorrido de 11 metros. a es la fuente de luz, b es un espejo semiplateado, c es una placa de compensación, y d, d y e son espejos. f es el ocular.

En 1885, Michelson se unió a Edward Morley para mejorar el experimento. Querían hacerlo mucho más preciso. Michelson era profesor de física y Morley de química en universidades cercanas en Cleveland. Michelson tuvo un período difícil de salud en septiembre de 1885, pero se recuperó.

En 1886, Michelson y Morley confirmaron con éxito un experimento anterior (el de Fizeau) que parecía apoyar la idea de un éter estacionario. Esto les dio más esperanzas de encontrar el "viento de éter".

Poco después, crearon una versión mucho mejor del interferómetro. El experimento se realizó entre abril y julio de 1887, en el sótano de un edificio en la universidad.

Archivo:Interferometre Michelson
Interferómetro de Michelson:
A - Fuente de luz monocromática
B - Espejo semirreflectante
C - Espejos
D - Diferencia de recorrido
Archivo:MichelsonCoinAirLumiereBlanche
Patrón de franjas producido con un interferómetro de Michelson usando luz blanca.

El instrumento, un interferómetro, dividía un haz de luz en dos rayos que viajaban en direcciones perpendiculares. Los rayos recorrían distancias iguales y luego se volvían a unir. Si la velocidad de la luz cambiaba debido al éter, se vería un cambio en el patrón de interferencia.

Para aumentar la precisión, la luz se reflejaba varias veces en los brazos del interferómetro, haciendo que el recorrido total fuera de 11 metros. Esto haría que el efecto esperado fuera más grande (aproximadamente 0.4 franjas).

Para evitar vibraciones y cambios de temperatura, el aparato se montó en un sótano con paredes de piedra. Además, se colocó sobre un gran bloque de piedra de casi 30 cm de grosor y 1.5 metros de lado. Este bloque flotaba en una cubeta circular llena de mercurio. Esto permitía que el aparato girara muy suavemente, casi sin fricción.

Los científicos esperaban que, al girar el aparato, el patrón de interferencia cambiara como una onda. Esto se debía a que los brazos del interferómetro se alinearían con el "viento de éter" en diferentes momentos. También esperaban ver cambios anuales debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol.

El experimento "fallido" más famoso

Archivo:Michelson Morley 1887 Figure 6
Resultados de Michelson y Morley. Las líneas continuas muestran sus observaciones, y las líneas punteadas muestran lo que se esperaba teóricamente. Las curvas observadas son mucho más pequeñas que las esperadas.

Después de todo el trabajo, el experimento se conoció como "el experimento fallido más famoso de la historia". En lugar de encontrar el éter, Michelson y Morley informaron que la medición era muy, muy pequeña. Era solo una cuadragésima parte del cambio que esperaban.

Concluyeron que la velocidad medida era "probablemente menos de un sexto" de la velocidad esperada del movimiento de la Tierra. Aunque midieron una velocidad muy pequeña, era tan insignificante que se consideró que estaba dentro del margen de error experimental, lo que significaba que la velocidad real podría ser cero.

Michelson escribió en una carta en 1887 que el resultado era "claramente negativo". Esto significaba que no habían encontrado evidencia del éter.

Los resultados de este experimento fueron muy importantes. Demostraron que las ideas sobre el éter que existían en ese momento eran incorrectas. Esto llevó a los científicos a buscar nuevas explicaciones, lo que finalmente condujo al desarrollo de la transformación de Lorentz y la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Después de este experimento, Michelson y Morley dejaron de buscar el éter y usaron su técnica para otras mediciones importantes.

Experimentos posteriores

Pruebas ópticas modernas

Aunque Michelson y Morley dejaron de buscar el éter, otros científicos continuaron realizando experimentos similares con el tiempo. Morley, por ejemplo, no estaba del todo convencido y realizó más experimentos con Dayton C. Miller entre 1902 y 1904. Los resultados también fueron negativos.

Dayton C. Miller construyó interferómetros cada vez más grandes, incluso uno con brazos de 32 metros de largo. Lo probó en varios lugares, incluyendo la cima de una montaña, para evitar que las paredes de los edificios bloquearan el "viento de éter". Miller afirmó haber encontrado una pequeña señal positiva, pero sus resultados fueron inconsistentes y no pudieron ser replicados por otros científicos. Hoy en día, se cree que sus resultados se debieron a errores en el análisis de los datos.

Otros científicos, como Roy J. Kennedy (1926) y K.K. Illingworth (1927), mejoraron la forma de detectar los cambios en el patrón de interferencia, haciéndolos mucho más sensibles. Tampoco encontraron evidencia del éter.

En 1930, Georg Joos realizó un experimento con un interferómetro automatizado de 21 metros de largo, hecho de cuarzo para evitar cambios por temperatura. No encontró ningún cambio periódico en las franjas, lo que puso un límite muy bajo a la posible velocidad del "viento de éter" (menos de 1.5 km/s).

Los resultados nulos de estos experimentos son aún más impresionantes si consideramos que la Tierra se mueve a unos 220 km/s alrededor del centro de nuestra galaxia, o a unos 370 km/s en relación con la radiación de fondo de microondas (un "eco" del Big Bang). Si hubiera un éter, estos movimientos tan grandes deberían haber sido detectados.

Nombre Lugar Año Longitud de brazo (metros) Cambio esperado Cambio medido Límite superior de V(éter) Resultado nulo
Michelson Potsdam 1881 1.2 0.04 ≤ 0.02 ~ 20 km/s
Michelson y Morley Cleveland 1887 11.0 0.4 < 0.02 ~ 4-8 km/s
Morley y Miller Cleveland 1902-1904 32.2 1.13 ≤ 0.015 ~ 3.5 km/s
Miller Monte Wilson 1921 32.0 1.12 ≤ 0.08 ~ 8-10 km/s no concluyente
Joos Jena 1930 21.0 0.75 ≤ 0.002 ~ 1.5 km/s

Experimentos recientes con resonadores ópticos

Archivo:MMX with optical resonators es
Experimento de Michelson-Morley con una cavidad óptica criogénica, similar a la usada por Müller et al. (2003).

A principios del siglo XXI, ha vuelto el interés por hacer experimentos aún más precisos usando láseres y cavidades ópticas muy frías. Esto se debe a que algunas teorías de la gravedad cuántica sugieren que la relatividad especial podría no ser perfecta a escalas muy pequeñas.

El primer experimento de alta precisión fue realizado por Brillet y Hall (1979). Ellos usaron un láser estabilizado por una cavidad óptica giratoria. Establecieron un límite muy bajo para cualquier posible diferencia en la velocidad de la luz.

Desde 2015, los experimentos con resonadores ópticos y de microondas han mejorado este límite aún más. Esto significa que la velocidad de la luz es increíblemente constante en todas las direcciones. Para estas pruebas, se usa como referencia la dirección y velocidad de la Tierra en relación con la radiación de fondo de microondas (unos 368 km/s).

Autor Año Descripción Precisión
Wolf et al. 2003 Compararon la frecuencia de un resonador de microondas con un máser de hidrógeno. Buscaron cambios durante la rotación de la Tierra. Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \lesssim10^{-15}
Müller et al. 2003 Dos resonadores ópticos controlaban la frecuencia de dos láseres Nd-YAG, colocados en ángulo recto dentro de un criostato (aparato muy frío).
Antonini et al. 2005 Similar al experimento de Müller et al. (2003), pero el aparato giraba. Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \lesssim10^{-16}
Stanwix et al. 2005 Compararon la frecuencia de dos osciladores criogénicos y el aparato giraba.
Herrmann et al. 2005 Compararon las frecuencias de dos cavidades ópticas: una giraba y la otra estaba fija.
Eisele et al. 2009 Compararon las frecuencias de un par de cavidades ópticas fijas y perpendiculares. Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \lesssim10^{-17}
Herrmann et al. 2009 Compararon las frecuencias de un par de resonadores ópticos giratorios y perpendiculares.
Nagel et al. 2015 Compararon las frecuencias de un par de resonadores de microondas giratorios y perpendiculares.

Otras pruebas de la constancia de la luz

Archivo:Lithium-7-NMR spectrum of LiCl (1M) in D2O
Espectro de resonancia magnética nuclear del litio. La línea nítida muestra que la masa y el espacio son iguales en todas las direcciones.

Existen otros experimentos que no usan el mismo principio que el de Michelson y Morley, pero que también buscan la constancia de la velocidad de la luz. Estos experimentos, como los de Hughes-Drever, han logrado una precisión aún mayor.

Por ejemplo, en el experimento de Drever de 1961, se estudiaron los núcleos de un tipo de litio. Si hubiera un "viento de éter" o alguna dependencia de la dirección en el espacio, esto afectaría la energía de los núcleos y se vería en el espectro de luz que emiten. No se observó ningún cambio. Las repeticiones modernas de este tipo de experimentos han confirmado con mucha precisión que las leyes de la física son las mismas en todas las direcciones, lo que se conoce como invarianza de Lorentz.

Véase también

Kids robot.svg En inglés: Michelson–Morley experiment Facts for Kids

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Experimento de Michelson y Morley para Niños. Enciclopedia Kiddle.