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La experiencia de Michelson-Morley (velocidad de la luz)

Publicado por Beatriz


En los comienzos del siglo XIX se supuso el carácter electromagnético de las ondas de luz, pero de ser así se planteaba una difícil cuestión ya que no se conocía la radiación sin precisar un medio material de propagación: ¿cómo podía transmitirse la luz por el vacío donde no hay partículas?

Como solución se postuló la existencia de una sustancia nueva que, en caso de comprobarse experimentalmente las conclusiones que este hipotético material desprendía, se demostraría asimismo su propia existencia. Pero no fue así. Esta forma fácil de explicar la trasmisión de la luz en el vacío no resultó satisfactoria aunque supuso un punto fuerte para el desarrollo de la ciencia por este camino.
A esta sustancia se la denominó éter y, obviamente, se le atribuyeron condiciones ideales como densidad nula, gran elasticidad y transparencia perfecta. En la teoría, el éter llenaba todo el espacio conocido de forma que suponía una gran sistema absoluto de referencia sobre el cual se calculaba todo lo demás. Maxwell, totalmente convencido de su existencia, dijo en la Enciclopedia Británica: «No cabe la menor duda de que los espacios interplanetarios e interestelares están ocupados por una sustancia o cuerpo material que es, con toda certeza, el mayor y probablemente el más uniforme que conocemos«. Sin embargo, hoy en día se ha demostrado que el espacio entre cuerpos estelares no es más que vacío.

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De existir el éter, y tomado como sistema absoluto de referencia, la Tierra se movería respecto a él con una velocidad (v) que, de la misma forma que la velocidad de un coche influye en la percepción de la velocidad del otro coche desde el primero, influiría en el cálculo de la velocidad de la luz (c):
– para un observador situado sobre la Tierra, suponiendo que ésta se moviera en el mismo sentido que la luz, la velocidad de ésta sería: c’=c-v
– para un observador situado sobre la Tierra, suponiendo que ésta se moviera en sentido contrario al de la luz, la velocidad de ésta sería: c»=c+v.

Albert A. Michelson y Edward W. Morley realizaron, en 1887, una serie de experimentos que demostraron que existe una única velocidad de la luz. Es decir:
«La velocidad de la luz en el vacío es constante en todos los sistemas inerciales, independientemente de la velocidad de la fuente y del observador«.
Por lo tanto, la existencia del éter no tiene sentido físico alguno.

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Las experiencias de Michelson y Morley comienzan en 1931 cuando el primero inventa un interferómetro (en la imagen) con una rama paralela a la dirección del movimiento de la Tierra y la otra perpendicular al mismo. El experimento consistía en dirigir un haz luminoso a un espejo semiplateado, M, inclinado 45º de forma que actuaba de desdoblador pues la mitad de la luz reflejaba hacia E2 y la otra mitad lo atravesaba hacia E1, moviéndose todo el sistema en sentido del movimiento de la Tierra a 30km/s (velocidad orbital de la Tierra). Después los haces chocaban en los espejos de los extremos de las ramas y volvían al centro, dirgiéndose ahora hacia el telescopio que recogía los haces de ambos espejos a la vez que se interferían mutuamente, tras atravesar los mismos espesores de aire y vidrio.
Debido a que el sistema se mueve con el movimiento de la Tierra E2 toma diferentes posiciones que hacen que el tiempo que tarda un haz en ir y volver (t2) sea diferente al tiempo que tarda el haz que va a E2.
t1=2l/c · 1/(1-(v2/c2)) y
t2=2l/c · 1/√(1-(v2/c2))
De esta forma, operando matemáticamente y teniendo en cuenta las siguiente aproximaciones, se demostró que la diferencia de tiempos era:
v/c≈10-4, (v2/c2)2≈10-16 y (v2/c2)3≈10-24, por lo tanto: t1-t2=Δt=l·v2/c3, donde l es la longitud inicial de cada uno de los espejos a M.

Según lo que se suponía, dicha diferencia de tiempos debería verse reflejada en la figura de interferencia vista en el telescopio. Pero no fue así. Michelson repitió el experimento con Morley en 1887 y los resultados fueron los mismos, aún cambiando los ejes para que los espejos jugaran el otro papel o bien adoptando más medidas para aislar el sistema de fuerzas externas.
Los resultados fueron negativos de nuevo, o bien positivos para el posterior descubrimiento. Se barajaron muchas hipótesis posteriores que fueron descartadas para corroborar finalmente que las leyes del electromagnetismo estaban correctas y que la velocidad de la luz es la misma en todos los sistemas inerciales, independientemente de la velocidad de la fuente y del observador (299.792,458 km/seg). Posteriormente Einstein partiría de aquí para sus estudios relativistas.

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