Capítulo 6. El experimento de Michelson-Morley: la consumación de la tragedia

Como ha quedado indicado a lo largo de los Capítulos anteriores, los experimentos realizados para encontrar una medición del ángulo de la aberración estelar que fuera distinto al que normalmente se obtiene, tenían como misión última y primordial la obtención de un dato experimental que confirmara y afianzara el supuesto movimiento de traslación de la Tierra, ya que era este movimiento el que estaba en la base de la interpretación del fenómeno de la aberración.

Asumiendo este movimiento terrestre, no había ningún motivo físico-matemático para esperar que, con la utilización de un medio refringente distinto al aire, se obtuvieran observaciones telescópicas de un ángulo de aberración distinto al normal.

El hecho de que la “comunidad científica” pasara de una teoría corpuscular de la luz a otra ondulatoria no cambiaba sustancialmente la situación, pues en este último caso se seguía contando con el supuesto del movimiento de la Tierra para la explicación del fenómeno de la aberración, y, por tanto, asumiendo esa suposición como verdadera, los experimentos telescópicos con medios refringentes incorporados a ellos debían haber arrojado el resultado teóricamente esperado de un ángulo de aberración distinto al de los consabidos 20,5 segundos de arco.

Dicho con otras palabras, la obtención de un ángulo de aberración distinto en esos experimentos hubiera supuesto una confirmación indirecta de ese movimiento terrestre.

Pues bien, lo que se proponía hacer ahora el físico polaco-americano Albert Michelson fue tratar de realizar un experimento en virtud del cual se viniera a confirmar de manera directa (y no meramente indirecta, como en los experimentos de los Capítulos anteriores) ese supuesto movimiento de traslación de la Tierra en su órbita alrededor del Sol.

Para ello, se propuso medir el efecto que debía tener el viento del éter (generado por el supuesto movimiento de la Tierra) sobre dos haces de luz que se movieran en dirección paralela y perpendicular, respectivamente, a dicho viento de éter.

A diferencia de los experimentos de los Capítulos anteriores, el experimento de Michelson se hizo, por decirlo así, “al aire libre” o “a tumba abierta”, es decir, sin mediación de ningún medio refringente de por medio. Habiendo quedado desechada como inservible la hipótesis del arrastre de éter por un medio refringente móvil (conjeturada por Fresnel) gracias al experimento de Airy, Michelson decidió desarrollar un experimento que abordara directamente al viento del éter tratando de detectar su teóricamente esperado efecto sobre la velocidad de la luz, prescindiendo de la mediatización de cualquier medio refringente.

Es decir, Michelson desarrolló un experimento óptico intraterrestre en virtud del cual se pudiera comprobar y verificar de manera directa, y sin mediaciones de ningún tipo, el movimiento de traslación de la Tierra.

Antes de abordar el esquema del experimento, pienso que puede ser de ayuda, para una mejor ulterior comprensión del mismo, establecer previamente un ejemplo clásico ilustrativo de la metodología implicada en el experimento.

En los Gráficos 17, 18, 19 y 20 se considera el caso de una persona que quiere realizar en canoa dos viajes con velocidad constante (los dos de ida y retorno al punto de partida) sobre un río en el que existe una corriente de velocidad constante (indicada con flechas rojas discontinuas), siendo uno de esos viajes en la dirección paralela al río (viaje río arriba, y vuelta río abajo), y el otro en dirección perpendicular al río (es decir, cruce del río de una orilla a otra, y vuelta a cruzarlo en su retorno a la orilla de partida).

Conforme a las fórmulas finales que se obtienen en uno y otro caso, podemos sacar las siguientes conclusiones:

1) Una canoa que hace un viaje de ida y vuelta (2L) en dirección paralela a un río, tarda un poco más en realizarlo en un río con corriente que en un río sin corriente.

2) Una canoa que hace un viaje de ida y vuelta (2L) en dirección perpendicular a un río, tarda un poco más en realizarlo en un río con corriente que en un río sin corriente.

3) Una canoa tarda un poco más en realizar un viaje de ida y vuelta en un río con corriente, si se desplaza en dirección paralela al río, que si lo hace en dirección perpendicular al río.

A la luz (nunca mejor dicho) de los datos obtenidos en este ejemplo clásico, podemos abordar con más seguridad la explicación del experimento de Michelson.

Fue el físico británico James Maxwell, en una carta dirigida a Michelson en 1879, poco antes de su muerte, quien le sugirió la realización de este experimento, a fin de poder determinar definitivamente la existencia del éter, a través de la constatación de sus efectos sobre la velocidad de la luz.

Paralelamente a los descubrimientos que se iban realizando en el campo de la óptica durante el siglo XIX (y que consolidaban la naturaleza ondulatoria de la luz), también se fueron desarrollando las investigaciones sobre los fenómenos de la electricidad y del magnetismo, desembocando en la formulación de las famosas leyes del electromagnetismo por Maxwell, leyes que describen, tanto las relaciones entre ambos fenómenos físicos, como los efectos de ambos por separado.

Dentro de esas leyes estaba implicada la formulación de las propiedades características que debía tener el medio que supuestamente servía de soporte a las ondas electromagnéticas (es decir, el éter). Puesto que las propiedades de este medio sólo permitían una velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas de unos 300.000 Km/s, no le resultó difícil a Maxwell conjeturar que la luz no era más que un caso particular de onda electromagnética (pues ya se conocía que ésta era su velocidad de propagación gracias a otros experimentos realizados aparte, y de los cuales hemos visto algunos a lo largo de estos Capítulos).

Sólo faltaba llevar a cabo un experimento en el que se pusiera de manifiesto la interactuación de la luz con ese medio físico que le servía de soporte: el éter. Esta interactuación con la luz sólo podría observarse si ese medio físico estuviera en movimiento, y, puesto que se “sabía” que la Tierra se movía, este movimiento terrestre debía generar un viento de éter, el cual habría de ponerse de manifiesto por sus efectos provocados en la variación de la velocidad de una luz que se moviera en el seno de ese viento.

Así pues, Michelson se puso manos a la obra. En el Gráfico 21 aparece un dibujo, lo más simplificado posible aunque substancialmente completo, de todos los supuestos implicados en el experimento de Michelson.

El aparato utilizado en el experimento se denomina interferómetro, es decir, mide la magnitud y variación de las franjas de interferencia que se forman en una pantalla receptora como consecuencia de la llegada de dos haces de luz en tiempos distintos (y, por tanto, en distintas fases). La idea de Michelson era obtener un patrón de interferencias en una determinada posición del interferómetro, para, a continuación, girar el aparato 90º y obtener en la nueva posición una variación del patrón de interferencias como consecuencia de un desplazamiento de las franjas. Ese desplazamiento esperado se medía en número de franjas, y se entendía que habría de producirse como consecuencia de las diferencias en los tiempos de llegada de los dos haces de luz, por lo que podría determinarse la diferencia de velocidades a las que supuestamente habrían de llegar los dos haces, y, por tanto, de manera indirecta, se podría conocer la velocidad del viento del éter que había provocado estas diferencias de velocidad en los dos haces de luz. Es un mecanismo parecido al utilizado por Fizeau en su experimento del agua.

La descripción es sencilla: un foco emisor situado a la izquierda del interferómetro emite una onda de luz que llega a un espejo semitransparente situado en el centro del aparato y divide la onda en dos haces. Uno de los haces de luz (de color naranja) se refleja en el espejo semitransparente y se dirige a un espejo situado en la parte de arriba del aparato en donde se refleja y vuelve hacia el espejo semitransparente, traspasándolo, y desemboca finalmente en la pantalla receptora. El otro haz de luz (de color violeta) se dirige hacia el espejo de la derecha, donde se refleja y vuelve al espejo semitransparente central, donde se refleja también, y desemboca finalmente en la pantalla receptora.

De esta forma se puede ver el paralelismo con el ejemplo que pusimos antes del río. La velocidad de la canoa representa la velocidad de la luz, y la velocidad de la corriente del río representa la velocidad del viento del éter (equivalente a la supuesta velocidad de la Tierra). Del mismo modo que la canoa recorría la misma distancia de ida y vuelta, tanto en dirección paralela como en dirección perpendicular al río, así también los dos haces recorren la misma distancia, uno paralelo al viento del éter y el otro perpendicular a éste.

Desde el momento en que los dos haces parten del espejo semitransparente central hasta que vuelven a él, han recorrido la misma distancia, pero se espera que el haz violeta (que se mueve paralelamente al viento del éter) llegue un poco más tarde que el haz naranja (que se mueve perpendicularmente al viento del éter), y, de esta forma, habrán de formarse en la pantalla franjas de interferencia en virtud de las cuales se pueda determinar las diferencias de velocidad de los dos haces de luz, y, en consecuencia, la velocidad del viento del éter que ha afectado a ambas.

Michelson realizó una primera prueba a principios de la década de los ´80, publicando sus resultados en la revista The American Journal of Science (Volumen 22, 2º Semestre de 1881). Sin embargo, en esta primera prueba no había tenido en cuenta, para los cálculos teóricos esperados, la influencia que podía tener el viento del éter en el haz de luz que se movía perpendicular a él. M. A. Potier se lo hizo saber a Michelson en carta privada; y H. A. Lorentz lo comentó en un trabajo publicado al efecto en 1886, en donde también se recogían algunas críticas al experimento en cuestiones mecánicas de procedimiento.

En consecuencia, Michelson, habiendo resuelto todas estas deficiencias señaladas, emprendió de nuevo la realización del experimento, esta vez con la ayuda de Edward Morley. El hecho de colocar el interferómetro sobre una plataforma que flotaba sobre una balsa de mercurio (a fin de evitar cualquier perturbación externa sobre el experimento) indica el grado de escrupulosidad al que había llegado Michelson para una realización satisfactoria de la prueba. Publicó los resultados de esta segunda experiencia en un trabajo publicado en The American Journal of Science, Número 203, de Noviembre de 1887.

En dicho artículo, Michelson señalaba que, habiendo realizado el experimento en diferentes épocas del año, y habiendo girado el interferómetro para situarlo en distintas posiciones angulares (pues la plataforma en la que se encontraba el aparato se podía girar y fijar en distintas orientaciones), los pequeños desplazamientos obtenidos de las franjas de interferencia reflejaban que se había detectado una pequeña cantidad de viento de éter, pero despreciable e insignificante en relación con los 30 Km/s de viento de éter que teóricamente se esperaba encontrar (equivalentes a los 30 Km/s del supuesto movimiento de traslación de la Tierra), razón por la cual Michelson consideró su experimento como “negativo” o “nulo”.

Había dos alternativas para explicar los resultados de este experimento. O bien no había éter…, o bien la Tierra no tenía movimiento de traslación. Puesto que la segunda opción era “impensable”, sólo quedaba la primera. El problema era que todos los experimentos ópticos realizados a lo largo de todo el siglo XIX no habían hecho sino afianzar y consolidar cada vez más y más la naturaleza ondulatoria de la luz, que implicaba la existencia del éter, es decir, de un medio material universal que le sirviera de soporte subyacente (del mismo modo que las ondas que se forman en un estanque al arrojar una piedra no se producen “por sí solas”, sino que requieren de un medio material que les sirva de soporte: el agua del estanque; igual pasa con el sonido, que son ondas que requieren del soporte material del aire; etc., etc.).

En la última década del siglo XIX, el físico británico George Francis FitzGerald y el físico holandés Hendrik Antoon Lorentz plantearon por separado la hipótesis de que un cuerpo en movimiento a través del éter pudiera sufrir una contracción en su estructura material en la misma dirección de su movimiento. De esta forma, con esta hipótesis, se podía considerar que el interferómetro de Michelson había “encogido” en la misma dirección del supuesto movimiento de la Tierra, lo cual habría permitido que el rayo violeta que se movía en la misma dirección paralela a la del supuesto movimiento de la Tierra recorriera una distancia menor que el rayo naranja (de dirección perpendicular al supuesto movimiento terrestre), lo cual habría enmascarado el resultado teóricamente esperado de los dos haces de luz llegando a diferente tiempo a la pantalla receptora, y habría causado, en su lugar, el resultado que efectivamente se había observado u obtenido (es decir, la llegada de los dos haces prácticamente al mismo tiempo).

De ambos físicos, Lorentz fue el más importante sistematizador y desarrollador de esta hipótesis, siendo su principal defensor tras el fallecimiento de FitzGerald en 1901. El físico holandés lo planteó por primera vez en un artículo publicado en la revista Zittingsverlag Akademie van Wetenschappen, en 1892. Y lo desarrolló de manera completa en su obra Versuch einer Theorie der electrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern, publicada en 1895.

La hipótesis de Lorentz, igual que la de Fresnel, no era más que una conjetura ad hoc para tratar de “salvar las circunstancias” o “salir del paso” ante la decepción por los resultados “nulos” obtenidos en un experimento del que se esperaba un resultado teórico distinto.

El panorama en la “comunidad científica”, a la llegada del nuevo siglo, no podía ser de más desconcierto.

¿Quién podría salvarla aportando una explicación o interpretación plausible de los resultados “nulos” o “negativos” de los experimentos realizados a lo largo del siglo XIX?

Entiéndase el sentido implícito de la pregunta: ¿quién podría aportar una explicación de todos esos resultados… que no implicara una vuelta a la concepción metafísica de una Tierra estática?