El experimento de Michelson-Morley

Del extensivo estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos realizado durante el siglo XIX se llegó a una conclusión para entonces sorprendente: los campos electromagnéticos pueden propagarse en el espacio en forma de movimiento ondulatorio, y la luz visible es una forma especial de esta perturbación. Las ondas electromagnéticas se constituyeron en objeto de nuevas y profundas investigaciones que provocaron un cambio radical no sólo de la ciencia, sino también de la vida diaria, debido a la aparición de nuevos y revolucionarios inventos.

Teoría electromagnética de la luz

Durante siglos, científicos y pensadores habían debatido sobre la esencia de la luz. Los trabajos del británico James Clerk Maxwell (1831-1879) basados en la sistematización de las ecuaciones de los campos eléctricos y magnéticos sirvieron para comprobar que la luz puede entenderse como una onda electromagnética que se propaga en el espacio a una cierta velocidad. También se presumió que existirían otras formas de radiación electromagnética distintas de la luz, aunque en aquel tiempo no se conocían. Hoy se sabe que la luz ocupa una pequeña región del espectro electromagnético global, en el que también se encuadran los rayos gamma y X, la radiación ultravioleta e infrarroja, las microondas y las ondas de radio.

El estudio del comportamiento de la luz se había centrado en el pasado en múltiples experimentos de diverso valor científico. Estas experiencias se redoblaron ante los nuevos conocimientos adquiridos, para conducir a un experimento decisivo ideado en 1887 por los físicos estadounidenses Albert Michelson (1852-1931) y Edward Morley (1838-1923).

Generadores de ondas electromagnéticas

La teoría electromagnética de la luz recibió un impulso definitivo en 1888, con la construcción por el alemán Heinrich Hertz (1857-1894) del primer generador de ondas electromagnéticas.

El dispositivo de Hertz era un circuito eléctrico (un dipolo eléctrico oscilante) que generaba una corriente alterna de alta tensión entre dos esferas metálicas. Mediante el uso de una espira metálica abierta como receptor, Hertz detectó que las ondas electromagnéticas generadas por el circuito provocaban una corriente en la espira que producía una chispa entre sus extremos abiertos.

En los años siguientes, Hertz se basó en los trabajos de Maxwell para estudiar las propiedades del campo electromagnético y encontró que dicho campo se reflejaba en las superficies metálicas. Pudo así aplicar los conocimientos de la óptica para inducir interferencias entre la onda electromagnética incidente y la reflejada, y diseñar dispositivos de polarización mediante rejillas de alambres de cobre, que demostraron sin ningún género de duda la existencia de las ondas electromagnéticas, las cuales según predijo Maxwell y comprobó Hertz empíricamente, eran de tipo transversal.

(a) Diseño del emisor de Hertz. (b) Esquema del detector o receptor, concebido como una espira metálica abierta.

Ley clásica de composición de velocidades

En el siglo XIX, se pensaba aún que todo el universo estaba empapado por un medio perfectamente transparente y extremadamente rígido llamado éter, en el que tenían lugar todos los movimientos celestes y que servía de asiento a la propagación de la luz. El éter era pues, un sistema referencial absoluto en el cual la Tierra (y los restantes cuerpos cósmicos) se desplazaban dejando a su paso un «viento de éter» semejante al rastro de aire de un vehículo en movimiento.

Según esta idea, sería posible medir una diferencia entre la velocidad de la luz con respecto a la Tierra y con respecto al sistema referencial absoluto del éter.

Como base de partida para el cálculo de esta diferencia se utilizaba la ley de composición de velocidades establecida por Galileo para sistemas inerciales en movimiento. Si es la velocidad entre dos sistemas de referencia S y S¿ que se desplazan con un movimiento relativo uniforme, la velocidad de un objeto medida en el primer sistema y ¿ la que se determinaría en el segundo sistema, se obtiene que:

Ley de composición de velocidades cuando la velocidad del cuerpo y la velocidad relativa de los sistemas inerciales tienen la misma dirección.

Composición de velocidades cuando la velocidad del cuerpo es perpendicular a la relativa entre los sistemas inerciales.

Experimento de Michelson-Morley

Los físicos estadounidenses Michelson y Morley concibieron un experimento destinado a demostrar o refutar la existencia del éter según la ley clásica de composición de velocidades. Usando como sistemas de referencia el hipotético del éter y el de la Tierra, la velocidad relativa entre ambos sería = 30 km/s, de manera que siendo la velocidad de la luz con respecto al éter y ¿ con respecto a la Tierra, se tendría que:

La experiencia de Michelson-Morley consistía en forzar la bifurcación del haz luminoso en dos caminos perpendiculares, uno de los cuales era paralelo al movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Al reunir los dos subhaces formados, se deberían detectar interferencias entre ambos, al ser ondas de la misma frecuencia.

Aplicando las leyes de la óptica geométrica y de la dinámica clásica, ambos investigadores concluyeron que, para que se produjeran interferencias, la longitud media necesaria sería la siguiente (donde L1 y L2 son los caminos recorridos por los dos haces):

Sin embargo, usando esta longitud no detectaron interferencias. Ello supuso un descrédito de la hipótesis del éter, que fue abandonada.

Esquema del aparato utilizado por Michelson y Morley en 1887 para determinar la existencia del éter. Desde el foco F, la luz se bifurca en el espejo semiplateado E y recorre caminos distintos para reunirse en R, donde tienen lugar las interferencias luminosas.

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