Michelson

Interferómetro de Michelson Morley.
DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO
Albert Michelson y Edward Morley realizaron un experimento en 1887 en el que
demostraron que la velocidad de la luz era igual en cualquier dirección sobre la superficie de
la Tierra. Este célebre experimento se asocia con el ocaso de la teoría del éter y con el
surgimiento de la teoría especial de la relatividad (Cassini y Levinas, 2005).
El objetivo del experimento de Michelson y Morley fue determinar si existía en
realidad el éter. El concepto de éter se creía que era el medio por el cual se propagaban las
ondas en el espacio y en esos lugares donde “aparentemente no había nada” (Universo
Cuántico, 2009).
Una de las interrogantes que se plantearon era que, si existiera el éter, podría estar
en reposo o no. Así que utilizaron un interferómetro para dividir la luz que emitía un foco
luminoso en dos haces. Los haces rebotaban en dos espejos y se vuelven a juntar y dado que
la luz es una onda, siempre que tengamos una fuente que solo emite una longitud de onda,
al volver a juntarse, los dos haces interferirán produciendo máximos y mínimos de intensidad
(Universo Cuántico, 2009).
Detalles constructivos, diseño y funcionamiento.
La luz se emite desde una linterna hacia un espejo semitransparente transversal de
forma que unos rayos lo atraviesan (momento t1) y continúan su recta trayectoria hasta llegar
un espejo no transparente (momento t2); mientras que otros rayos de luz son desviados hacia
arriba hasta llegar a otro espejo no transparente (momento t2).
Como las distancias "a" y "b" entre el espejo semitransparente y lo espejos normales
(horizontal superior y vertical derecho) son iguales, la luz alcanzará dichos espejos
simultáneamente (momento t ) y volverá en ambos casos hacia el espejo semitransparente.
Por diseño de la investigación, los distintos haces de luz del aparato llegan al mismo tiempo
de vuelta al espejo semitransparente (momento t3) y ambos serán desviados hacia abajo para
acabar en una placa (momento t4).
En la placa inferior se podrán observar las interferencias entre los dos haces de luz.
Interferómetro de Michelson y Morley en movimiento relativo al éter luminífero
La intención era medir la diferencia de tiempo empleado por la luz en recorrer
espacios iguales entre diversos espejos pero que, al estar unos alineados con la dirección de
la Tierra y otros perpendiculares a la misma, serían diferentes por el efecto de la velocidad de
la Tierra.
La segunda figura nos muestra el recorrido de la luz cuando los espejos se desplazan
con con la tierra en movimiento relativo respecto al supuesto éter luminífero. En dicha figura
se ha exagerado la velocidad de los espejos respecto a la velocidad de la luz para poder
visualizar las variaciones en las distancias provocadas por el movimiento de los espejos, pero
el razonamiento permanece idéntico.
El momento t1 será el mismo que el de la primera figura, pero el momento t2 será
posterior a su correspondiente en dicha figura porque el espacio "b" habrá aumentado en
una cantidad "c" con el desplazamiento del espejo no transparente (espejo vertical) en la
dirección de la Tierra. Este espacio "c" es debido al transcurso de tiempo que tarda la luz en
hacer el recorrido "b" más el que tarda en alcanzar el espejo vertical.
Asimismo, el espacio hasta el espejo de arriba aumentará, pero dicho espacio será la media
geométrica de "a" y "c", según el teorema de Pitágoras.
En otras palabras, el incremento del espacio dependerá del ángulo de la dirección
inicial de la velocidad de la luz y de la nueva dirección hasta el espejo de arriba.
Como se puede observar las dos distancias recorridas por los rayos de luz dejarán de
ser iguales, lo mismo ocurrirá con las distancias en el camino de vuelta al espejo
semitransparente y ello deberá provocar que las interferencias producidas entre los dos haces
de luz sean diferentes.
En consecuencia, sucesivos cambios en el ángulo de la disposición del interferómetro
respecto a la dirección de la Tierra deberían reflejarse en variaciones asociadas en las franjas
de interferencias de los haces de luz en la placa al final de su recorrido.
El cálculo de las distancias y sus variaciones en función del ángulo y las interferencias
no ofrece excesivo problema y debería haber permitido deducir la velocidad de la luz respecto
al éter luminífero.
Sin embargo, la conclusión de este experimento empírico es que no se producía
ninguna variación en las franjas de interferencia en la placa final con los cambios en el ángulo
del interferómetro. Es decir, la luz se comportaba en los supuestos de las dos figuras de
manera idéntica.
Diseño
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.
Figura 3.
Dos espejos montados en ángulo recto y una lámina semitransparente
(“beamsplitter”) colocada en diagonal.
Figura 1. Interferómetro de Michelson.
Con esto se lograba enviar simultáneamente dos rayos de luz (procedentes de la
misma fuente) en direcciones perpendiculares, hacerles recorrer distancias iguales (o caminos
ópticos 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.
Si la diferencia de trayectoria óptica —que hay entre los haces en el Interferómetro
de Michelson— varía en una distancia igual a la longitud de onda, entonces, una raya o franja
habrá de trasladarse a través del retículo de la mirilla de observador. Si ΔN representa el
número de franjas que pasan por el retículo, a medida que el espectro se corre, y si se utiliza
luz de longitud de onda λ, de modo que el período de una vibración sea T = 1 / v = λ / c,
entonces:
Si se varía la longitud de algunos de los caminos ópticos del interferómetro (la longitud
de uno de los brazos del instrumento), las franjas de interferencia se mueven a través de la
pantalla a medida que en cada punto las ondas se refuerzan y anulan sucesivamente. Por ello,
el aparato estacionario no nos puede decir nada referente a diferencias de tiempo en el
recorrido de los dos caminos (los brazos del interferómetro). Sin embargo, si se gira el aparato
90º, los dos caminos cambian su orientación con respecto a la hipotética corriente de éter,
de tal manera que el rayo que antes necesitaba un tiempo t 1 para el recorrido total, requiere
ahora un tiempo t 2 y viceversa. Si estos tiempos son diferentes, las franjas se moverán a
través de la pantalla durante el giro.
En donde v es la velocidad del éter que tomaremos igual a la velocidad de rotación de
la tierra en su órbita de valor 3 x 10^4 m/s y c es la velocidad de la luz de valor 3 x 10^8 m/s
Como el desplazamiento de franjas de interferencia se verifica en ambos recorridos,
el desplazamiento total debería ser de 2N o sea 0,4 franjas. Un desplazamiento de esta
magnitud es fácilmente observable, y en consecuencia Michelson y Morley tenían esperanza
de demostrar directamente la existencia del éter.
Irónicamente, tras toda esta preparación, el experimento fue fallido, aunque exitoso.
En vez de mostrar las propiedades del éter, no se produjo ninguna alteración de velocidad de
la luz y, por tanto, ninguno de los efectos que el "viento del éter" tenía que producir. El
aparato se comportó como si no hubiese "viento del éter". Este asombroso resultado no podía
ser explicado por la teoría de las ondas vigente en la época. Se intentaron muchas
explicaciones, como que la Tierra arrastraba de alguna forma al propio éter, pero todas ellas
resultaron ser incorrectas.
APLICACIONES
La realidad del experimento Michelson-Morley, es que el objetivo que pretendían
alcanzar no lo lograron ya que el experimento no funcionó, sin embargo aunque pareciera un
fracaso los resultados negativos demostrarían mucho tiempo después que había sido un
éxito. Según Tiberius (2011), el experimento de Michelson y Morley falló en el sentido de
detectar la diferencia de tiempo necesaria para que la luz recorriera las trayectorias paralela
y perpendicular al movimiento de la Tierra.
Dentro de los aportes y aplicaciones de este experimento se encuentran:
1.
Que el movimiento de éter no es detectable, debido a que carece de propiedades
medibles.
2.
La ausencia de éter llevó a los físicos a concluir que no existe un marco absoluto o
universal de referencia.
3.
A partir de esta segunda conclusión, como mencionan Tipler y Mosca (2015),
Einstein formuló una teoría en la que explicaba que la luz era capaz de propagarse
en el espacio vacío y que el éter era un concepto innecesario y simplemente no
existía.
4.
Según Tipler y Mosca (2015) 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, además lograron hallar que la
velocidad de la luz es la misma en todas direcciones sobre la superficie de la Tierra
lo que demostraba, la completa independencia de la velocidad de la luz respecto de
la dirección de su propagación.
Figura 1. Representación de la velocidad de la luz. Tomada de Ameresi (2012).
5.
Según Tiberius (2011) estos principios del experimento se utilizan para obtener
mediciones precisas de longitudes de onda y de distancias muy pequeñas, como por
ejemplo los minúsculos cambios en el espesor de un axón cuando un impulso
nervioso se propaga a lo largo de ellos, en las neuronas del cerebro.
Figura 2. Mediciones de las redes neuronales y ondas cerebrales.
Tomada de StarViewer Team (2016).
Este experimento otorga las bases del proyecto LISA (Laser Interferometer
Space Antenna) de la NASA cuyo objetivo es realizar un experimento en el espacio
idéntico; para demostrar una vez más la Relatividad General.
Figura 3. Proyecto LISA. Imagen tomada de Universo a la vista (2010).
6.
Michelson creó un aparato denominado interferómetro, el cual permite medir
distancias con una precisión muy alta y consiste en la división de un haz coherente
de luz en dos haces para que recorran caminos diferentes y luego converjan a
nuevamente en un punto. En la actualidad, según Tiberius (2011), los principios de
este instrumento siguen siendo utilizados por científicos, solamente que en el
laboratorio se utiliza un láser para su iluminación.
Figura 4. Interferómetro moderno de láser. Tomada de El Mundo (2016).
El interferómetro de Michelson
Constructivo
El montaje que Michelson concibió en Berlín, reducido a su mínima expresión, es lo que se
muestra en esquema en la figura 3 [ 6].
http://michelsonymorleyfisicamoderna.blogspot.com/p/aplicaciones.html