miércoles, 13 de julio de 2011

LA TEORÍA DE LA RELATIVIDAD: UNA VISIÓN EXTRAÑA DEL UNIVERSO (II)


El espacio inmenso (telescopio Hubble)
  Conocida la naturaleza puramente ondulatoria del sonido y también de la luz, así como la velocidad de ambos fenómenos, que en el caso de la luz quedó establecida hacia 1800 y también su finitud, se planteaba un problema en la comunidad científica que ya sabía de la existencia del vacío en el espacio exterior y de la necesidad de un medio para que las ondas sonoras (y las de cualquier naturaleza) se transmitieran, cosa que no ocurría con la luz, que era capaz de viajar por el vacío total del espacio exterior. Esta idea era confirmada por experimentos clásicos como la campana de vacío que aislaba una fuente sonora y el radiómetro de Crookes, una especie de molino con aspas negras por una cara y reflectantes por la otra, introducido en una ampolla de cristal al vacío, que giraba al exponerla a la luz por la incidencia de los rayos lumínicos, capaces de actuar sobre las aspas del molino y hacerlas girar.

 Teniendo en cuenta que la luz del Sol llega a la Tierra diáriamente atravesando el vacío espacial, con total ausencia de aire o medio conocido, debía haber algún ente físico capaz de transmitir las ondas lumínicas por el espacio para no admitir la incómoda e inquietante idea de la propagación en la nada, como nadie admite la falta de una/as pocas piezas que encajen en el puzzle que con tanto trabajo hemos formado.
  La polémica estaba servida: había que solucionar el problema con una explicación  y esa hipótesis de trabajo fue el Éter lumínico o simplemente Éter; un modelo adaptado a las exigencias  que simplificaba la cuestión, que llenaba el vacío del universo y bañaba toda sustancia en mayor o menor medida y permitía la transmisión de la luz a 300.000 Km/seg. Antes de proseguir diré que en los tiempos actuales tenemos nuestro Éter particular en la Materia oscura, que explicaría la expansión del universo, en contra de la teoría del Big Crunch y otros fenómenos aún no explicados por la ciencia.
 La existencia del éter fue acogida con júbilo por la comunidad científica de la época como una valiosa herramienta que explicaba el fenómeno lumínico, pero había que demostrar su veracidad porque la ciencia culmina en la demostración de sus hipótesis. En 1864 Maxwell publicó los resultados de una investigación matemática que había emprendido acerca de las vibraciones eléctricas, que generaban ondas que podían propagarse en el espacio, calculando la velocidad de propagación de las mismas y llegando a la conclusión de que la velocidad era la misma que la de la luz. Maxwell dedujo con ello que la luz no era sino un tipo de onda eléctrica, que hoy llamaríamos ondas electromagnéticas, confirmadas en su existencia por Hertz en 1887 que las reprodujo en su laboratorio. Este hecho constituyó una confirmación adicional a la existencia de éter.
 Maxwell, con su descubrimiento, que incluía la naturaleza electromagnética de las ondas lumínicas, hizo más perentoria la existencia del éter por necesitarse un medio que transmitiera esos fenómenos de tal naturaleza en el vacío, pues no resultaba lógica la inexistencia de un medio de transmisión para las ondas electromagnéticas, y el éter era la solución al problema y su descubrimiento el gran reto de la ciencia de la época. Si el éter existía debería impregnar todo el espacio y era razonable suponer que fuese lo único fijo e inmovil de todo el universo: La Tierra gira sobre su eje (24 horas en completar una revolución  ó 15º/h, constituyendo los husos horarios en - o + desde el meridiano 0º según sea longitud oeste o este) y también describiendo una órbita elíptica alrededor del Sol (30 Km/seg); el resto de los planetas del sistema solar también se mueven con respecto al Sol en una órbita distinta a la de la Tierra, y probablemente el Sol se mueve con respecto a la Vía Láctea y todos los seres de la Tierra nos movemos con un movimiento relativo (si viajamos en avión-navegación en tres dimensiones-desde Europa  a América  tardaremos más que en el viaje de vuelta porque la Tierra gira de este a oeste). Una vez establecida la hipótesis de la existencia del éter como ente en reposo absoluto en un universo en el que todo se mueve, había que probar su realidad de manera indirecta y teniendo en cuenta nuestro movimiento con respecto a él. Algo así como probar la existencia del aire, inmóvil en una habitación cerrada y sin corrientes, desplazando un abanico abierto con nuestro brazo y notando la resistencia que opone el aire invisible: Los físicos debían probar la existencia del éter percibiendo el movimiento del éter o viento del éter en el desplazamiento de la Tierra a través de él.
 Uno de los experimentos que se utilizaron para comprobar la existencia del viento del éter fue también un método que utilizaba el telescopio para visualizar una estrella lejana, cuando la Tierra, en su movimiento alrededor del Sol, de 30 Km/seg, se acercaba al punto de observación y el cuerpo celeste enviaba su luz a través del éter a 300.000 Km/seg (recordemos el efecto DOPPLER-FIZEAU, descrito en la primera entrega).                                                                                                                       
 
 El observador lograría enfocar en el ocular de su telescopio la estrella objeto de la observación, moviéndose él y su instrumento solidariamente con la Tierra a través del éter inmóvil hacia la derecha de este. Seis meses después, cuando la Tierra en su órbita alrededor del Sol se alejara de la estrella, desplazándose hacia la izquierda con respecto al éter, debería suceder un desenfoque de la estrella en el telescopio, pero tal efecto nunca sucedió tras innumerables intentos por comprobarlo.

AGUSTÍN JEAN FRESNEL.
 Había que explicar el fracaso de tal experimento y fue Agustín Jean Fresnel el primero que trató de buscar una teoría razonable en 1818, suponiendo que el éter era más espeso en los cuerpos materiales que en el vacío del espacio exterior; así configurada la hipótesis, el desplazamiento del telescopio a través del éter arrastraría parte de este consigo según la velocidad de desplazamiento del instrumento en una fracción de la misma. Esta fracción fue conocida como COEFICIENTE DE ARRASTRE DE FRESNEL; no solucionó el problema porque,como en el caso anterior, si la Tierra se despaza hacia la estrella o en sentido contrario, el éter debería permanecer inmóvil y no "arrastrarse" para tener un punto de referencia absoluto. Algo así como el "palo del que cuelga una zanahoria, sujetado por el jinete de un caballo que lo utiliza como señuelo para que el animal camine, desplazándose ambos-jinete y zanahoria-a la velocidad que alcanza el caballo.
 Al no poderse probar la existencia del éter después de la deducción puramente teórica de Fresnel, nuestro ya conocido FIZEAU  decidió en 1859 medir la variación de la velocidad de la luz en un medio denso y en movimiento, calculando dicha velocidad al lanzar un rayo luminoso a través de una corriente de agua cuando la luz viajaba en el sentido del movimiento de la corriente y contracorriente. Halló una diferencia de velocidad, que asumió como el arrastre del éter por el agua, que coincidía con el Coeficiente de Arrastre de Fresnel pero seguía sin probar su existencia; solamente probaba que, de existir el éter, se comportaría según la predicción de Fresnel. Sin abandonar la existencia del éter, había que diseñar un experimento que probara definitivamente su realidad, tan necesaria para explicar la propagación de las ondas electromagnéticas a través del vacío.
 Supongamos que queremos probar la influencia del viento en la velocidad de un vehículo y diseñamos un experimento sirviéndonos de dos coches idénticos que parten de un mismo punto, a la velocidad costante de 100 Km/h pero en direcciones distintas (el coche A hacia el norte y el B hacia el este por sendas carreteras idénticas para recorrer ambos 50 Km) soportando un viento constante del este de 10 Km/h. Los vehículos inician su marcha desde el mismo punto y nosotros esperamos su regreso en el punto de partida midiendo el tiempo. Con ausencia total de viento ambos llegarían al punto de partida al cabo de una hora, tras recorrer los 100 Km de ida y vuelta; pero con el viento del este soplando, el coche B alcanzaría los 90 Km/h en la ida y 110 Km/h en la vuelta, mientras que el coche A (que se dirige al norte) sería arrastrado en su trayectoria rectilinea por el viento de costado tanto en la ida como en la vuelta, debiéndo corregir constantemente su dirección y no alcanzando por ello los 100 Km/h. al hacer el cálculo de la media hallaríamos que el coche A llega antes que el B y, si cambiaran sus rutas, llegaría antes el B y no el A. Lo mismo ocurriría si el viento soplara del oeste, como es evidente.

Este mismo razonamiento fue utilizado por Albert Michelson (véase la primera entrega) y Edward Morley en su famoso experimento, llevado a cabo en la década de 1880-1890, que trataba de comprobar la existencia del viento del éter. Michelson dedicó su labor científica al estudio de la luz "porque es muy diverdido", según sus palabras, y Morley era químico de profesión. Ambos basaron su estrategia en la propiedad de las ondas de producir interferencia, que básicamente son de dos tipos:
Interferencia constructiva: cuando dos ondas coinciden en sus crestas y sus valles la mezcla de ambas se refuerza en el resultado final, percibiéndose una onda resultante de mayor intensidad.
Interferencia destructiva: el caso contrario. Los valles y las crestas se oponen y, en el caso de la luz, se anulan produciendo oscuridad, o silencio, en el caso de las ondas sonoras.
  En el término medio está la interferencia parcial, que no anula ni refuerza pero modifica la onda resultante: el efecto vibrato de los órganos de tubos se obtenía haciendo sonar a la vez dos tubos cuya frecuencia difrería en unos ciclos por segundo.
 No es extraño que el aparato diseñado por ellos para comprobar el viento del éter, instalado en el sótano de la Universidad de la Reserva Occidental (Cleveland-Ohio) se llamara interferómetro, pues utilizaba la interferencia de dos ondas lumínicas para demostrar la existencia de dicho viento, si existía.


Esquema del interferómetro de Michelson-Morley.
El instrumento utilizado por ambos investigadores se componía de una fuente de luz (haz incidente del esquema) que enviaba un rayo a un espejo semiazogado (el desdoblador M), formando un ángulo de 45º y que divide el rayo en dos: el rojo, que impacta y se refleja en el espejo 1, y el negro que se reflejará en el espejo 2, volviendo ambos rayos a reflejarse en el espejo central para ser recogidos en el visor T. Tengamos en cuenta que el interferómetro se desplaza solidario con el movimiento de la Tierra  y que ambos rayos tienen una trayectoria que forma un ángulo de 90º, como el ejemplo de los coches. M&M realizaron el experimento girando su aparato 90º (intercambiando las trayectorias de los haces lumínicos) y en distintas épocas del año, durante 10 años, y no encontraron diferencia (digamos interferencia, para ser más exactos) entre ambos rayos, pues los dos haces llegaban al mismo tiempo y eso descartaba el "viento del éter". Después de este experimento se han hecho más por otros investigadores con el mismo resultado: no se demostró el viento del éter y, por tanto, su existencia seguía siendo una ficción. Hubo después algunos intentos de explicar el fracaso del experimento de M&M, incluso invocando la teoría geocéntrica, sobradamente desmontada por Nicolás copérnico y anteriormente por Aristarco de Samos, pero no nos vamos a extender más en el tema.
 Después del fracaso de los experimentos que pretendían demostrar la existencia del éter, principalmente el de Michelson y Morley, y de las explicaciones posteriores (en algunos casos contradictorias) para desentrañar el misterio, la comunidad científica seguía necesitando esa entidad misteriosa para comprender la propagación de las ondas electromagnéticas, incluída la luz, aún después de la publicación de la TEORÍA ESPECIAL DE LA RELATIVIDAD en 1905. En las primeras décadas del siglo XX, los manuales de radio y telegrafía sin hilos seguían hablando del éter como medio de propagación de las ondas:
 "ÉTER.- Sustancia que se admite interpenetra todo el Universo. Se le supone perfectamente elástico, propiedad que le permite ser el vehículo de propagación de las vibraciones luminosas, caloríficas, electromagnéticas, etc."
 (Agustín Riu: GUIA PRÁCTICA DE RADIO. Definición de éter de la página 13 de la 3ª edición de 1930).


 En todo este mar de confusión y de fracaso surgió una auténtica revolución del pensamiento científico que, con una explicación relativamente sencilla, hizo que las piezas del puzzle encajaran resolviendo el problema del éter y formulando predicciones sorprendentes que culminarían con la era atómica y la mecánica cuántica, aportando una mayor comprensión del universo.
 El artífice de esta revolución fue Albert Einstein con su Teoría de la Relatividad Especial (1905) y General (1916).


 La Teoría especial (o restringida) trata de objetos o sistemas que se mueven unos con respecto de otros con velocidad constante (aceleración nula) u objetos o sistemas inmóviles (velocidad cero) y fue la primera en postularse porque resulta más fácil describir el movimiento constante o no acelerado. La Teoría General contempla objetos o sistemas que se mueven unos respecto de otros con velocidades crecientes o decrecientes (sistemas u objetos acelerados positivamente o negativamente, en la terminología física).
 Pero de todo ello seguiremos hablando más detalladamente.