Einstein y el experimento de Michelson-Morley

Llevado a cabo en 1887, el experimento de Michelson-Morley se considera el trabajo definitivo que terminó eliminando la creencia decimonónica de que las ondas luminosas viajaban a través de un medio llamado éter. La historia estándar que se cuenta es que una vez que el experimento de Michelson-Morley probó que el éter era falso, todo el mundo supo que había una crisis, a la que puso fin Einstein cuando intervino resueltamente para resolver el problema con la teoría especial de la relatividad en 1905. Pero esta es una versión demasiado simplificada de lo que realmente ocurrió...

Albert Abraham Michelson comenzó a trabajar en la búsqueda del éter cuando era un joven estudiante en Berlín con permiso de la Marina de los Estados Unidos. Más tarde, cuando se convirtió en profesor de física en el Colegio Case de Ciencia Aplicada de Cleveland, formó equipo con Edward Williams Morley, un químico también estadounidense que trabajaba en la cercana Universidad Western Reserve. Morley tenía fama de gran experimentador, y a Michelson le atraía el reto de crear un experimento meticuloso para medir la velocidad de la Tierra a través del éter que se suponía que llenaba el espacio. Las mediciones tenían que ser tan precisas que muchos dijeron que no podían hacerse. (Más tarde Michelson le diría a Einstein que había empleado tanta energía para conseguir la precisión necesaria simplemente porque era “divertido”).

James Clerk Maxwell fue el primero en describir la luz como una onda electromagnética. En esa época, los físicos comprendían las ondas bastante bien. Las ondas del sonido, por ejemplo, se crean cuando un objeto que vibra comprime y descomprime alternativamente el medio que le rodea. En el aire, paquetes de aire más y menos densos viajan al oído y son interpretados por el cerebro. Las ondas en el agua tienen crestas y valles en vez de diferencias de densidad. Pero tanto el agua como el aire son medios necesarios para la propagación del sonido. Maxwell creía que la luz igualmente debía emplear un medio, una misteriosa sustancia llamada éter. Según la teoría, el éter estaría en reposo con respecto a un espacio absoluto del universo, y la Tierra, naturalmente, viajaría por él. Maxwell propuso que, por lo tanto, debería existir un “viento de éter” de algún tipo, que soplaría en la cara de un observador que mirase en el sentido del movimiento de la Tierra, y en su espalda si miraba en sentido contrario. Cabría esperar entonces que la luz viajase a diferentes velocidades dependiendo de la dirección en la que se moviese a través del éter, parecido a una persona que se mueve más fácilmente con el viento a favor que en contra. La idea de que la luz se pude mover con velocidades diferentes, en un mismo medio en idénticas condiciones, dependiendo sólo de la dirección de propagación, está en el corazón mismo del experimento de Michelson-Morley. Y esta es la idea que Einstein terminaría haciendo desaparecer.

El experimento que se cita oficialmente como el experimento de Michelson-Morley tuvo lugar en 1887 [1] y utilizaba un diseño bastante innovador que se basaba en una técnica desarrollada por Michelson, la interferometría (Michelson recibiría el premio Nobel de física en 1907 por sus instrumentos ópticos de precisión y las mediciones realizadas con ellos). La interferometría depende del hecho de que cuando dos ondas se cruzan forman patrones muy concretos. Un experimento de interferometría comienza dividiendo un haz de luz, haciendo después que cada uno de los dos nuevos rayos viajen caminos distintos, para luego unirlos en una pantalla. Analizando los patrones resultantes se puede obtener información sobre la velocidad y la distancia recorrida por la luz. Michelson ya había usado la interferometría tanto para conseguir la medición más precisa hasta la fecha de la velocidad de la luz como para determinar la longitud oficial del metro para la Oficina Nacional de Estándares de los Estados Unidos.

Para su experimento, Michelson y Morley hicieron que dos rayos de luz viajasen en ángulo recto uno del otro: uno viajaba en la misma dirección que el éter y el otro la cruzaba. Imaginemos dos personas nadando en un río, una va corriente arriba y luego a favor de corriente, mientras que la otra nada directamente a un punto al otro lado del río y vuelta. Ambos nadadores se tienen que enfrentar a la corriente pero de forma diferente y, consecuentemente, el tiempo que emplean para recorrer exactamente la misma distancia será diferente. Si la Tierra viaja a través del éter, el éter crea una corriente (como un río), y un rayo de luz que viaje en contra y luego a favor debería tardar menos en recorrer una distancia determinada que otro que la atraviese en ángulo recto. Esta era la hipótesis que Michelson y Morley intentaban confirmar con su experimento.

El experimento estaba muy bien diseñado, pero por mucho que repitieron la medición, ambos rayos empleaban la misma cantidad de tiempo en sus viajes. La pareja comprobó y recomprobó el dispositivo experimental y repitieron las mediciones varias veces después de cada comprobación, siempre con el mismo resultado. El dispositivo, que se encontraba en un sótano con paredes de ladrillo [en la imagen], estaba instalado sobre un bloque de mármol que flotaba sobre una balsa de mercurio, lo que permitía girarlo para estudiar todos los ángulos posibles con respecto al “viento de éter”; ningún ángulo probado dio un resultado diferente. La reputación enorme de la que gozaban Michelson y Morley en la comunidad científica hizo que los físicos más famosos de la época aceptaran como válido un resultado tan inesperado. Claramente, había un problema con la teoría del éter.

Sin embargo, el concepto del éter, no fue completamente descartado en ese momento. El consenso era que la hipótesis no estaba completa. El mismo Michelson repitió el experimento en numerosas ocasiones a lo largo de su vida, cambiando incluso la localización del dispositivo (lo llevó a lo alto de una montaña) para ver si había variaciones en la intensidad del presunto “viento de éter” que permitiesen detectar diferencias en las mediciones.

Aunque había físicos que conocían el trabajo de Michelson y Morley, y sabían que sus resultados debían incorporarse a una nueva teoría de la luz, no está claro que Einstein, el que finalmente proporcionó esa teoría, tuviese conocimiento de él. Su artículo sobre la relatividad especial está claro que no hace referencia a los resultados del experimento, si bien es cierto que este artículo no hace referencia a casi nada ya que lo que se proponía era tan novedoso que Einstein podía afirmar que no se basaba en el trabajo de nadie (aunque a lo mejor Poincaré pensase otra cosa).

Años más tarde Einstein se contradiría a sí mismo sobre el asunto de si conocía el experimento de Michelson-Morley. Dijo muchas veces que no tenía noticias de él y, de hecho, no lo menciona en sus Notas autobiográficas en las que describe cómo desarrolló sus teorías. Ya mayor afirmó, sin embargo, que la primera referencia del experimento la obtuvo del estudio del trabajo de Lorentz en 1895, y en algunas de sus primeras cartas (1899) que se conservan discute un artículo de Wien que contiene una referencia al experimento.

Independientemente de si Einstein conocía el mismo experimento de Michelson-Morley, lo que si parece claro es que desarrolló su teoría de la relatividad especial creyendo firmemente que el éter no existía. Esta convicción no fue apriorística. La lectura de otros grandes científicos de su época, muchos de los cuales ciertamente conocían el experimento, habría influido con toda seguridad en las convicciones de Einstein.

Después de la publicación por parte de Einstein de la teoría especial de la relatividad, Einstein tuvo conocimiento fehaciente del trabajo de Michelson y Morley (ver [2]) y, de hecho, estuvo en contacto con Michelson. Poco antes de su fallecimiento, en 1931, Michelson asistió a una cena en honor a Einstein en California. En su discurso Einstein dijo: “Usted, honorable Dr. Michelson, comenzó este trabajo cuando yo era un jovenzuelo que no levantaba 1 metro del suelo. Fue usted el que guió a los físicos por nuevos caminos, y gracias a su maravilloso trabajo experimental preparó el terreno para el desarrollo de la teoría especial de la relatividad”. El comentario honraba graciosamente a Michelson a la vez que eludía el asunto de si Einstein se había basado en su trabajo.

Después de la muerte de Michelson, en honor al 70 aniversario de Einstein, el famoso físico norteamericano Robert Millikan, que era uno de los protegidos de Michelson, escribió un artículo en el que establecía una conexión directa entre la teoría de la relatividad y la anterior búsqueda del éter de Michelson. Millikan escribió: “Se puede ver la teoría de la relatividad especial como basada esencialmente en una generalización del experimento de Michelson” [no nombra a Morley]. A continuación dice que tras la demostración de que no había éter “...los físicos de la luz andaban en tinieblas” buscando una nueva teoría de la luz. Millikan añade, “Entonces Einstein nos llamó a todos, ‘Aceptemos simplemente esto como un hecho experimental establecido y a partir de ahí veamos cuáles son sus consecuencias inevitables’, y él mismo se dispuso a la tarea con una energía y una capacidad que poca gente posee en esta Tierra. Así nació la teoría especial de la relatividad”. De la misma forma que Atenea surgió hecha y derecha de la cabeza de Zeus, así describió Millikan la teoría de Einstein como surgida del trabajo de Michelson.

La ciencia real, igual que la historia real, no es tan sencilla, pero la idea de que el experimento de Michelson-Morley llevó directa y claramente a la teoría especial de la relatividad es algo que pertenece al folklore de Einstein desde entonces, como es fácilmente comprobable en cualquier libro de texto.

Referencias:

[1]

Michelson,AA, & Morley,EW (1887). On the Relative Motion of the Earth and the Luminiferous Ether The American Journal of Science, 34 (203), 833-845

[2]

¿Conocía Einstein el experimento de Michelson-Morley en 1905 y le influyó en su teoría?