Experimento Michelson Morley PDF

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F CU Experimento de Michelson-Morley

A JIMÉ

FÍ

ÍNDICE FÍSICA CUÁNTICA................................................................................................................................2 MICHELSON Y MORLEY......................................................................................................................2 PROBLEMA DEL MOVIMIENTO RESPECTO DEL ÉTER..........................................................................3 TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA DE LA LUZ............................................................................................4 GENERADORES DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS.............................................................................4 LEY CLÁSICA DE COMPOSICIÓN DE VELOCIDADES..............................................................................5 EXPERIMENTO DE MICHELSON-MORLEY............................................................................................5 CONCLUSIONES..................................................................................................................................9 SOBRE LA NO EXISTENCIA DE ETER................................................................................................9 REFERENCIAS....................................................................................................................................10

FÍSICA CUÁNTICA La física cuántica es uno de los grandes logros del intelecto humano y es la base de la comprensión de los fenómenos naturales. La física clásica es un límite de la cuántica. La física cuántica explica el átomo, el enlace químico, las moléculas, la interacción de la luz con las partículas, la materia… Aunque la física cuántica describe el mundo a escala atómica podemos observar sus consecuencias a escala macroscópica en las propiedades térmicas (como la radiación), ópticas (como los colores), eléctricas (como la clasificación entre aislantes, metales y semiconductores en los sólidos cristalinos) y magnéticas (como el ferromagnetismo, antiferromagnetismo y otros ordenes magnéticos de la materia). La física cuántica tiene a su vez importantes aplicaciones tecnológicas como la invención del transistor y por lo tanto del ordenador y es la base de la mayoría de la alta tecnología electrónica que utilizamos hoy en día.[ CITATION Mar13 \l 2058 ]

MICHELSON Y MORLEY Fue uno de los más importantes y famosos de la historia de la física. Realizado en 1887 por Albert Abraham Michelson (Premio Nobel de Física, 19071) y Edward Morley, está considerado como la primera prueba contra la teoría del movimiento de la tierra respecto al éter. El resultado del experimento constituiría posteriormente la base experimental de la teoría de la relatividad especial de Einstein.[ CITATION Ari19 \l 2058 ]

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).

Figura 1. Interferómetro de Michelson: el aparato nunca encontró diferencia alguna.

PROBLEMA DEL MOVIMIENTO RESPECTO DEL ÉTER El problema del movimiento de los cuerpos a través del éter luminífero planteó severas dificultades a la teoría ondulatoria de la luz durante todo el siglo XIX. ¿El éter se encontraba inmóvil y los cuerpos se movían libremente a través de él, o bien lo arrastraban total o parcialmente? En este trabajo no intentaremos siquiera esquematizar la compleja historia de las diferentes respuestas que los físicos dieron a esta pregunta. Sin embargo, nos resulta imprescindible señalar algunos de los hechos experimentales y de las hipótesis teóricas fundamentales que constituyeron el trasfondo de la teoría óptica presupuesta por Michelson y Morley en su célebre experimento. 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.

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.[ CITATION SMI95 \l 2058 ]

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.

EXPERIMENTO DE MICHELSON-MORLEY Michelson, aceptando el desafío de Maxwell, diseñó un dispositivo lo suficientemente sensible como para detectar efectos del orden de v2/c2. El objetivo del experimento era medir la velocidad relativa de la Tierra respecto del éter luminífero por medio de un dispositivo en el que la luz viajaba en el aire, por lo que el eventual coeficiente de arrastre de Fresnel podía despreciarse. Dado que los dispositivos experimentales diseñados y empleados por Michelson han sido descritos en muchas ocasiones, podemos tratar este punto sucintamente. En su experiencia de 1881, un rayo de luz se divide mediante un semiespejo en dos rayos perpendiculares entre sí. Cada uno de estos rayos "viaja" por un brazo y se refleja en un espejo; luego vuelve al punto de partida donde se forman ciertas franjas de interferencia

características debido a pequeñas diferencias en las respectivas longitudes de los brazos y a la diferencia en la inclinación de los espejos. Las franjas más nítidas se obtienen ajustando, mediante un tornillo de precisión, la distancia o la inclinación de los espejos. Si el aparato se rota lentamente hasta un ángulo de 90o, la teoría ondulatoria de la luz, junto con la mecánica clásica, predicen un desplazamiento de las franjas de interferencia debido al cambio de dirección del instrumento respecto de la dirección del movimiento de la Tierra. En la base de un edificio cercano al nivel del mar Michelson y Morley construyeron lo que se conoce como el interofenometro de Michelson. Se compone de una lente semiplateada o semiespejo, que divide la luz monocromática en dos haces de luz que viajan en un determinado ángulo el uno respecto al otro. Con esto se lograba enviar simultáneamente dos rayos de luz (procedentes de la misma fuente) en direcciones perpendiculares, hacerles recorrer distancias iguales (o caminos opticos iguales) y recogerlos en un punto común, en donde se crea un patrón de interferencia que depende de la velocidad de la luz en los dos brazos del interferómetro. Cualquier diferencia en esta velocidad (provocada por la diferente dirección de movimiento de la luz con respecto al movimiento del éter) sería detectada.

La distancia entre los espejos y el semiespejo tiene una longitud "L", es decir, el "Recorrido 1" es igual al "Recorrido 2". Existe una diferencia entre los recorridos 1 y 2 observados en la Tierra y fuera de la Tierra (observador externo). Los recorridos para el observador externo (fuera del planeta), el cual está en reposo, serán:

Como:

Se tiene entonces que:

Finalmente, obtenemos después de simplificar, que el Recorrido 1 es igual a:

Para obtener el Recorrido 2 se tiene lo siguiente:

Para hallar t1 y t2 se puede suponer que a la ida (t1) la luz va a una velocidad c-v y la distancia sigue siendo L, e igualmente para la vuelta (t2) se puede suponer que la velocidad es c+v y la distancia L. Entonces se tiene que: t1=l/(c-v) y t2=l/(c+v):

El tiempo empleado por el barco a favor de la corriente y contra corriente, según la interpretación de Michelson y Morley, estaría dado por:

El tiempo empleado por el barco que se desplaza en ángulo recto, para Michelson y Morley es:

La diferencia en el tiempo sería:

La contracción de Lorentz es una consecuencia de las fórmulas matemáticas señaladas anteriormente. Contracción que está representada por la siguiente expresión:

donde L1 es la distancia medida por un observador en movimiento con velocidad "v" siendo "c" la velocidad de la luz y L2 es la distancia medida por un observador en reposo. Y para el caso del interferómetro, en examen, la contracción correspondería a la reducción de la longitud de uno de sus brazos, lo que explicaría el motivo por el cual ambos haces de luz llegaron simultáneamente a su destino (llegaron en fase).[ CITATION Lyd15 \l 2058 ]

Figura 2. El viento del Eter.

CONCLUSIONES SOBRE LA NO EXISTENCIA DE ETER El célebre experimento de Michelson y Morley (en adelante: experimento M-M) realizado en 1887 se asocia habitualmente con el ocaso de la teoría del éter y con el surgimiento de la teoría especial de la relatividad. Un libro de texto sobre física de partículas elementales ofrece, por ejemplo, esta descripción: El experimento proporcionó una clara prueba de que no existe ningún éter y de que la velocidad de la luz es constante independientemente del movimiento de la fuente. Otro texto, esta vez de cosmología, afirma lo siguiente: En 1887, Albert Michelson y Edward Morley hallaron que la velocidad de la luz es la misma en todas direcciones sobre la superficie de la Tierra (Harrison, 2000, p. 206). Incluso en uno de los mejores textos avanzados sobre relatividad podemos leer que: [...] la experiencia confirma enteramente el principio de relatividad. Son justamente las mediciones, realizadas por primera vez por Michelson (1881), las que han revelado la completa independencia de la velocidad de la luz respecto de la dirección de su propagación. Finalmente, un libro divulgativo, pero escrito por un especialista eminente en relatividad, presenta el resultado del experimento en estos términos: Determino con gran precisión el cambio de la velocidad medida de la luz debido al movimiento del observador a través del éter. No encontraron cambio alguno. Como consecuencia de ese experimento se descartó la teoría del éter y fue confirmado el principio de relatividad.

REFERENCIAS

Alvarez, L. (2015). Experimento de Michelson-Morley. Universidad Autónoma de Baja California. LORENTZ, A. H. (1887). De l'influence du movement de la Terre sur les phénomenènes lumineaux. Archives Néerlandaises des Sciences Exactes et Naturelles, p. 103-76. María José Calderón, B. V. (2013). Superconductividad. Palazzesi, A. (2019). El experimento de Michelson y Morley. Obtenido de NEOTEO: https://www.neoteo.com/el-experimento-de-michelson-y-morley/ SMITH, J. H. (1995). Introduction to special relativity. Dover....