El experimento de Michelson y Morley fue uno de los más importantes y famosos de la historia de la física. No sólo es un ejemplo de dedicación e ingenio, sino que demuestra cómo uno puede trabajar arduamente durante años para descubrir que todas sus ideas estaban equivocadas. En 1887, Albert Abraham Michelson y Edward Morley pusieron a punto un experimento para medir la velocidad con la que se movía la Tierra con respecto al éter, y terminaron demostrando que el éter no existía. Sus resultados se convertirían en la base experimental de la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein.
A fines del siglo XIX, el extraordinario físico James Clerk Maxwell (1831-1879) había propuesto que la luz era una forma de onda, similar al sonido aunque de una frecuencia mucho más alta. Cualquier onda, desde una ola en el mar hasta una cuerda que vibra, necesita de un soporte más o menos elástico que sirva de medio para que ésta se propague. El sonido, por ejemplo, se propaga “empujando” y “jalando” las moléculas del aire (o del agua, o de cualquier otro material), pero es incapaz de propagarse en el vacío.
La teoría de Maxwell necesitaba de la existencia de un medio que fuese capaz de transportar las ondas luminosas incluso por el vacío del espacio, ya que era difícil no notar que la luz de las estrellas lejanas de alguna forma se las ingeniaba para llegar hasta la Tierra. En ese momento resultaba inconcebible que una onda -de cualquier clase- se propagase en el vacío sin ningún medio material que hiciera de soporte, así que se postuló la existencia de una hipotética sustancia material sobre la cual se propagaba la luz. Este material -que debía tener unas características sumamente extrañas y ocupar cada rincón del universo- recibió el nombre de éter.
Por motivos que solo un físico puede explicar correctamente, la velocidad de la luz depende de la densidad del medio que atraviesa. En efecto, la velocidad de la luz es diferente en el vacío que en el aire o el agua, siendo más lenta cuanto más denso es el medio por el que se propaga. La prueba más inmediata de esto es la “deformación” que sufre cualquier objeto que pones en un vaso de agua, como una cuchara o un cuchillo. Esto es debido a la variación de la dirección del rayo luminoso al pasar de un medio a otro ocasionado por el cambio de velocidad de la luz, y está descrito en la ley de la refracción de Snell.
Para que el éter se ajustase al comportamiento observado de la luz en el vacío, debía tener una densidad ínfima y un gran coeficiente de elasticidad, además de poder atravesar cualquier material. Esto era necesario ya que -de alguna forma- aparecía incluso dentro de un recipiente al que se le hubiese practicado el vacío en el laboratorio. Esta explicación, lejos de parecer traída de los pelos o al menos considerarse poco probable, fue avalada por el mismo Maxwell, por Lord Kelvin y Nikola Tesla, entre otras destacadas mentes de la época. Para los científicos de hace un siglo, el concepto de éter era tan aceptado como lo es hoy el de los campos electromagnéticos.
Para que todo encajara, se hacia indispensable probar la existencia de este fluido. Había que diseñar un experimento que dejase claramente establecidas las características del éter, pero estaba claro desde el principio que no sería algo fácil de llevar a cabo. El éter, para cumplir con su cometido de transportar la luz, debía ser muy (pero muy) tenue, lo que sin dudas dificultaría su detección. Albert Abraham Michelson (1852-1931) y Edward Morley (1838-1923) tuvieron una idea. Crearían un artefacto que fuese capaz de mediar la velocidad de la luz en dos direcciones perpendiculares entre sí, con lo que no sólo demostrarían la existencia de este fluido sino que encontrarían la velocidad con que la Tierra se movía con respecto a él. La experiencia de estos dos físicos se conocería luego como “El experimento de Michelson y Morley”.
El experimento
Cada año, la Tierra completa un giro alrededor del Sol, viajando a una velocidad de 30 km/s (o lo que es lo mismo, a unos 100.000 km/h). A fines del Siglo XIX se creía que la dirección del “viento del éter” con respecto a la posición del Sistema Solar debía variar cuando la Tierra se desplazase en una u otra dirección, tal como un bote recibe un empuje diferente por parte del agua de un río dependiendo de si avanza a favor, contra o transversalmente a su corriente.
Michelson y Morley supusieron que la Tierra era el bote y que el río era el éter. Para tener éxito, el experimento debería llevarse a cabo en varios momentos del año. De esta forma, la luz, al llegar a la Tierra con diferentes posiciones con respecto al éter, lo haría con diferentes velocidades. El problema era que la velocidad de la luz es de 300 mil km/s, y la de la Tierra “solo” 30 km/s, por lo que la diferencia de velocidades a medir era muy pequeña. Sin embargo, Michelson, que estaba muy entrenado en la medición de la velocidad de la luz, ideó una manera de medir esta mínima diferencia.
En un edificio ubicado casi al nivel del mar, Michelson y Morley construyeron lo que hoy se conoce como un “interferómetro de Michelson”. El dispositivo, relativamente sencillo, utiliza una lente semiplateada (o semiespejo) para dividir la luz monocromática en dos haces de luz que viajan en ángulo recto uno respecto del otro. Esto permite enviar simultáneamente dos rayos de luz idénticos -ya que proceden de la misma fuente- en direcciones perpendiculares, hacerles recorrer distancias iguales y recibirlos en un punto en el que se crea un “patrón de interferencia”. El “dibujo” de este patrón depende de la velocidad de la luz en cada uno de los brazos del interferómetro. Cualquier diferencia entre estas velocidades, provocada por la diferente dirección de movimiento de la luz con respecto al movimiento del éter, podría ser detectada. Lamentablemente, el aparato nunca encontró diferencia alguna.
En efecto, tras varios meses de preparación y otros tantos de pruebas, el experimento se declaró fallido. O exitoso, si lo analizamos desde el punto de vista correcto. En todas las ocasiones el interferómetro se comportó como si no hubiese “viento del éter” y, aunque se intentaron muchas explicaciones, como que la Tierra arrastraba de alguna forma al propio éter, ninguna resultó ser correcta. Michelson y Morley, en lugar de demostrar las propiedades del éter, demostraron su inexistencia. Ernst Mach fue uno de los primeros físicos en considerar que el resultado del experimento era un éxito, y sugirió una nueva teoría. Como corolario a las investigaciones iniciadas a partir del experimento, se desarrolló una teoría alternativa, la contracción de Lorentz, que no necesitaba del éter para la transmisión de la luz. El desarrollo de esta teoría desembocó en la Relatividad Especial de Einstein. Nada mal para un fracaso, ¿verdad?
Extrañamente, algunos trabajos teóricos elaborados por HongSheng Zhao, de la Universidad de St. Andrews, que intentan incorporar en un mismo marco teórico la materia oscura y la energía oscura, postulan la existencia de “algo” similar al éter que les quitó el sueño a Michelson y Morley un siglo antes. Zhao ha encontrado que una energía oscura similar a un fluido puede comportarse como materia oscura si alcanza una densidad lo bastante alta.
Esta idea eliminaría la necesidad de la existencia de las Partícula Masiva de Débil Interactuación (WIMP), afectando entre otras cosas la velocidad a la que pueden rotar las galaxias. El trabajo de Zhao encaja perfectamente en con los datos experimentales obtenidos hasta la fecha. Quién sabe, quizás en este momento, en algún lugar del mundo, un equipo de científicos estén poniendo a punto la “versión 2.0” del experimento que hizo famoso a estos dos físicos muchos años atrás.
