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Llevo ya dos semanas sin escribir nada, pero es que he estado bastante ocupado, en fin, retomemos este interesante tema
Recuerdo que lo último que vimos fueron las transformaciones galileanas, de la velocidad y de la aceleración, y enunciamos el pincipio de relatividad galileano, del que pudimos extraer dos conclusioines, que las leyes básicas de la naturaleza son las mismas para observadores que se encuentran en sistemas de referencia inerciales y que no podemos conocer si un sistema de referencia está en reposo absoluto o se mueve con MRU (!).
Pues bien, como ya dije, hoy veremos cómo surgen problemas al aplicar estos principios de relatividad a la luz.
Pensemos un poco...si vemos un objeto caer, la caída será la misma ya estemos en nuestras casas, en un autobús o en...no sé...un avión, es decir, el principio de relatividad galileano está de algún modo respaldado por nuestras experiencias cotidianas. Ahora bien, recordemos las propiedades de las ondas electromagnéticas, que vimos en el primer artículo de este blog (Introducción a la relatividad especial I) y el trabajo realizado por Maxwell.
Según el físico británico, la velocidad máxima a la que pueden propagarse las perturbaciones electromagnéticas viene dada por la expresión:
Al sustituir en ella las constantes por su valor, sea se ontiene lógicamente el valor de la velocidad de la luz en el vacío.
Sin embargo, vamos a plantearnos la siguiente cuestión, que ya nos la hicimos hablando de la relatvidad de Galileo, ¿será igual la velocidad de la luz medida por un observador que está en reposo que por otro que se mueve con velocidad v? De no ser así, supondría una violación al principio de relatividad galileano, que indica que la velocidad no es igual, es decir, variable cuando pasamos de un sistema de referencia a otro. Pero, aquí surge el problema: ¡si las velocidades de la luz medidas por ambos observadores fueran distintas, se tambalearían las ecuaciones de Maxwell! y a partir de ahora, sólo servirían para un sistema de referencia.
Todo ello llevó a una verdadera controversia en la Física de la época, pero, la constancia o la variación de la velocidad de la luz al pasar de un sistema a otro encerraba una clave...
Por fin llegamos a uno de los experimentos más decisivos de la historia de la Física Moderna, el experimento de Michelson y Morley.
Todo empieza en 1881, cuando Albert Michelson afrontó su primer experimento, se admitía la existencia de un sistema de referencia privilegiado, en reposo respecto al éter (recordemos que no tenían el concepto de vacío) es decir un sistema de referencia absoluto, en el que la velocidad de la luz tenía su consabido valor. Por lo tanto, también se admitía que el valor de c, debía ser, algo distinto respecto a cada sistema de referencia, según las ya demostradas transformaciones de galileo.
Ahora llega lo interesante. Michelson ideó una forma de poder medir la velocidad de la Tierra con respecto del éter ayudándose de la óptica, al desarrollar lo que se conocería como interferómetro. Dejo un dibujo esquemático del interferómetro de Michelson, que lo he hecho yo mismo, así que siento que sea demasiado esquemático, es para entenderlo mejor, por Internet supongo que habrá imágenes mejores.
Pues bien, el fundamente de este dispositivo consiste en dividir un haz que parte de una fuente luminosa, el foco, en dos haces distintos que se desvían por caminos perpendiculares al atravesar un espejo semiplateado. Estos haces son posteriormente reflejados por los espejos, 1 y 2, y enfocados hacia un anteojo en el que se observan patrones de interferencia. Michelson calibró el aparato intentando garantizar que los caminos recorridos por la luz fuesen iguales en ambas direcciones.
Michelson tenía una idea. Pensaba que orientando de forma adecuada el interferómetr, podría conseguirse que la dirección de uno de los haces coincidiera con el movimiento orbital de la Tierra (!) mientras que el otro se desplazaría en dirección perpendicular a dicho movimiento. Por lo tanto, lógicamente, las velocidades de los haces serían ligeremanerte distintas. Por un lado, el haz que se propaga en la dirección orbital de la Tierra, el haz de ida tendría una velocidad igual a c-v con respecto del espejo 1, mientras que el de vuelta tendría una velocidad de c+v con respecto del mismo espejo, donde v es, en ambos casos, la velocidad orbital de la Tierra. Por otro lado, el haz perpendicular al movimiento orbital se movería con una velocidad igual a la composición vectorial que son perpendiculares entre sí. Dada la diferencia de ambos haces, estos llegarían al anteojo con un ligero desfase de tiempo y darían lugar a un patrón de interferencia. Así que girando poco a poco el interferómetro, el desfase iría variando y, de ese modo, las franjas del patrón sufrirían ligeros desplazamientos. La medida de esos desplazamientos de las franjas permitiría calcular la velocidad de la Tierra (recordemos que es v) con respecto al éter.
Brillante idea la suya, pero sorprendentemente y fortuitamente,al realizar su primer experimento, obtuvo resultados negativos, completamente diferentes de los que se esperaba. Así que Lorentz, del cual hablaremos más adelante, ya que jugó un papel clave en el desarrollo de la T.de la Relatividad, le aconsejó hacer unos cambios en el interferómetro, ya que había cometido algunos errores en el procedimiento y en el cálculo de la velocidad del haz perpendicular. Con la ayuda de Morley, hicieron el ya famosísimo experimento de Michelson y Morley, en el que redujeron las vibraciones del aparato, con este fin, se montó el dispositivo óptico sobre un gran bloque de piedra que flotaba en mercurio, lo que hacía más fácil, además su rotación, por otro lado, también se aumentó la longitud recorrida por los haces mediante la reflexión de éstos por diferentes espejos.
Pero....¡no se obtuvieron tampoco los patrones de interferencia! después de haber hecho tantos cambios y mejorado su precisión...lo que llevaba a algo completamente revolucionario, los haces se movían siempre con una velocidad constante, independientemente de su orientación, es decir, la velocidad de la luz es siempre constante, independientemente del movimiento del foco emisor.
¿Y cuál es la conclusión de todo ésto? Pues que las transformaciones de Galileo no se cumplen en el caso de la luz...por lo que las ecuaciones de Maxwell ya no se pondrían más en entredicho.
Bueno, creo que por hoy es suficiente, bastante historia y datos para recordar
en el próximo artículo trataré de las proposiciones de Lorentz y Fitzgeral y ya nos meteremos de lleno en la Relatvidad especial einstiana (por fin!).Como repaso os dejo un ejercicio sobre transformaciones galileanas, que resolveremos en el artículo siguiente, pero para recordar conceptos y practicar viene bien.
'' Sobre el suelo de una plataforma que se desplaza a 15m/s con respecto de un observador fijo situado en tierra rueda una pelota con velocidad 2m/s en relación con el suelo de la plataforma. Calcula la velocidad de la pelota con respecto al observador fijo si: se mueve en sentido contrario a la plataforma, se mueve en dirección y sentido de la plataforma y se mueve perpendicularmente a la plataforma'' Una pista, podemos llamar O al sistema de referencia anclado en Tierra, O' al sistema de referencia de la plataforma y a la velocidad de la pelota con respecto a O' y la velocidad relativa de O' con respecto a O, y pues la velocidad de la pelota con respcto a O.
Hasta la próxima
