Búsqueda del espacio absoluto

1-Newton y el espacio-tiempo absolutos.

Lo más probable es que Newton (1642-1727) nunca conoció a los voladores de Papantla, y por esta razón tuvo que confinar toda su experiencia física a lo que sucedía a ras del suelo o a bordo de los lentos vehículos de la época, como las carrozas y los barcos. Recordemos: los voladores de Papantla son unos de hombres que cuelgan atados de los pies y sujetos a un poste muy grande, con una cuerda larga que une a sus pies con una rueda que gira en la cabeza poste; ésta empieza a dar vueltas y los hombres, al estar colgados de la rueda, dan vueltas con ella. A medida que el giro es más rápido se genera una fuerza centrífuga que va levantando a los hombres colgados, y cuando van muy rápido da la impresión de que ellos forman una superficie similar a un disco suspendido en el aire. Cualquier volador de Papantla puede contar experiencias del espacio-tiempo muy diferentes de las que nosotros experimentamos, pero Newton no los conoció y consideró que siendo la Tierra un marco de referencia fijo para todas las mediciones que podemos hacer, también debería haber un marco de referencia universal para el espacio y el tiempo. Un volador de Papantla experimentado, el veterano que domina la sensación de mareo generada por ese vuelo, podría considerarse a sí mismo centro de un universo en donde la Tierra girara por debajo de él, en vez de pensar que él está girando por encima de ella. Esta experiencia le faltó a Newton y por culpa de eso mantuvo entretenidos a los físicos de varios siglos persiguiendo quimeras, persiguiendo espacio y tiempo absolutos.

El filósofo inglés John Locke (1632-1704) hizo una observación que empujó el razonamiento fuera de ese espacio absoluto. Consideró un par de jugadores de ajedrez que un observador deja sentados ante el tablero, después regresa a la misma habitación y los encuentra en la misma posición. No puede concluir que no se movieron, puesto que pudieron haber salido los jugadores a despejarse y regresar justo antes de volver el observador. Aunque el observador se quedara con ellos y los viera siempre en el mismo lugar, si la habitación estuviera en un barco que se mueve, ¿qué sentido tendría decir los jugadores no se han movido? En ese caso, no se mueven con respecto a la habitación, aunque la habitación se mueva con respecto al mar junto con el barco. Era imposible no detectar el movimiento a bordo de una carroza en 1700, pero hoy en día hay que ir atentos en la carretera al velocímetro porque los coches modernos dan esa sensación de inmovilidad que hace indistinguibles 120km/h y 180km/h. Einstein planteaba otra comparación: imagínese que usted está en un tren, estacionado de noche en un lugar. Frente al suyo está otro tren, del que se ven las ventanas encendidas. Después de un rato, las ventanas del tren de enfrente empiezan a moverse hacia la derecha. Pregunta: ¿cuál de los dos trenes es el que se está moviendo? La respuesta admite tres posibilidades: con respecto a la Tierra, y con respecto a cada uno de los trenes; si su marco de referencia es el propio tren, entonces ese tren estará inmóvil y el resto de las cosas se moverán en torno a él. El tamaño y la lentitud con que arrancan los trenes puede crear la ilusión de que no se mueven, que lo que se mueve es lo que está adelante, inclusive los edificios. El movimiento siempre es de un objeto relativo a otro.

Pero Newton encontró necesario plantear ese marco de referencia absoluto para su Mecánica, y volvió sagrada su palabra de que efectivamente existía. En realidad estaba resucitando una idea muy vieja, que apareció en varias civilizaciones antiguas como la de los griegos: además de los cuatro elementos de la materia (agua, aire, tierra, fuego) que en diversas combinaciones formaban toda la materia existente, también había otro elemento, de una categoría muy diferente que ni se podía ver ni oler ni tocar ni sentir pero que ahí estaba y era el éter, algo parecido al cielo, porque ahí vivían los dioses y era éter lo que respiraban. Algunos filósofos le asignaron un lugar “encima de la esfera celeste”, con muchas ganas de que fuera cierto y en todo caso con la seguridad de que nadie los podría contradecir, puesto que nadie había llegado hasta la esfera celeste.

Newton postuló ese espacio y tiempo como algo que existe independientemente de nosotros, como una especie de sistema de coordenadas en el espacio junto con un tiempo que fluye, ambos en forma absoluta y sin que podamos hacer nada para alterar esa medida y el fluir de ese tiempo. Su teoría tenía algunos agujeros, porque era más un acto de fe que una afirmación científica, pero la ciencia y el conocimiento humano son cosas que evolucionan y muchas de las cosas que sabemos ahora eran ignoradas en 1700. Sin embargo Leibnitz, el gran rival de Newton, decía que el espacio absoluto no hacía sentido, puesto que el concepto de “espacio” solamente puede verse en términos de la posición relativa de los cuerpos.

2-¿Qué es la luz?

Entre las muchísimas cosas que investigó Newton está la luz. Recordemos que él fue quien postuló que la luz blanca es en realidad la suma de las luces de colores que corresponden al arco iris, y que lo probó al descomponer la luz blanca pasando por un prisma. Newton afirmó, también sin una evidencia, que la luz tenía naturaleza corpuscular, es decir, los objetos que producen luz como el sol y las lámparas, lo que hacen es arrojar pequeñas piedritas (corpúsculos) al espacio, y cuando chocan con un ojo es que producen ahí las imágenes. Pero otros científicos, como Huygens (1629-1695), un astrónomo y matemático holandés, postuló que la luz tenía naturaleza ondulatoria, como el sonido y como las olas del mar.

Las olas y la naturaleza ondulatoria se observan sujetando una cuerda gruesa y larga, flexible. Puede ser una manguera de buena calidad. Colocada en el suelo, desenrollada en línea recta, tome usted con las manos uno de los extremos, y suba y baje sus brazos rápidamente, moviendo hacia arriba y hacia abajo el extremo de la cuerda. Al hacer esto se genera una onda que viaja a lo largo de la cuerda, que es exactamente lo que hacen las olas del mar: en vez de una cuerda está la superficie del agua, alguien o algo agita el agua en un extremo y así se forman las olas, que pueden viajar miles de kilómetros y formar tsunamis. O algo más sencillo: en su taza de café, inmóvil, deje caer en el centro una gota de agua. Observará que se forman unos círculos concéntricos que van viajando del punto donde cayó la gota hacia la orilla de la taza. Este experimento se puede repetir en una alberca, en un estanque tranquilo, y en forma de una tina se utiliza como recurso en los cursos de Física para explicar las ondas y algunos fenómenos relacionados con las ondas.

El siguiente ejemplo de naturaleza ondulatoria es el sonido. No se puede ver la vibración del aire como vemos las olas del mar, pero algunos elementos pueden ayudarnos a entender. Tome una guitarra y rasgue una de sus cuerdas: sus oídos escucharán la nota correspondiente y sus ojos verán que la cuerda oscila, y es esta oscilación hacia arriba y hacia abajo lo que hace vibrar el aire (semejante al ejemplo de la cuerda movida en el extremo  con las manos), y oímos algo porque la cuerda de la guitarra lo hace muy rápido, del orden de 400 vibraciones por segundo, que casualmente entra en el rango auditivo humano. Otra forma fácil de ver estas vibraciones es sujetar una liga estirada entre los dientes y una mano; con la otra mano se rasga la liga y empieza a vibrar, y puede observarse que al estirar más o menos la liga, la cuerda vibra más rápido o más despacio, y produce un sonido más agudo o más grave.

Ambos ejemplos, las olas (u ondas) en el agua y el sonido producido por cuerdas vibrantes, presuponen un medio que vibra: en el primer caso es el agua, en el segundo es el aire. A los científicos de 1700 que apoyaban la teoría ondulatoria de la luz se les hizo fácil hacer una analogía: así como el aire vibra y de esa manera crea el sonido, así necesitaremos algo que vibre para que esa vibración produzca la luz. Y así renació el éter, revestido de objeto científico aunque nadie lo pudiera tentar ni ver ni oír ni oler ni conocer su nacionalidad; sólo se necesitaba para que el humano entendiera que la luz vibraba y para eso era el éter.

3-Gana la teoría ondulatoria.

Dentro de la lista casi interminable de genios que produjo Inglaterra entre 1600 y 1900 está Thomas Young (1773-1829): físico, egiptólogo, médico, teórico de la música, políglota & anexas; en resumen, lo que se llama un polímata, alguien que hace contribuciones notables en varios campos del saber humano, como por ejemplo Aristóteles, Newton, Goethe, Leonardo da Vinci, Gauss, Arquímedes,  algo así como los genios que miran por encima del hombro a los que nosotros vemos muy arriba. Young era partidario de considerar a la luz como algo de naturaleza ondulatoria, y decidió probarlo; su genio le permitió diseñar un experimento sencillo “con objetos al alcance de cualquiera” como él mismo lo decía: un cartón, la luz que entra por la ventana, una pared, un agujero delgado en el cartón.

Young partió de un hecho conocido en otros fenómenos ondulatorios: cuando coexisten dos ondas en un mismo medio se produce interferencia. Por ejemplo dos piedras que caen en un estanque, cada una de ellas produce sus círculos concéntricos de ondas que viajan por la superficie y se cruzan. Al encontrarse entre sí, hay dos casos interesantes: cuando se encuentran en el mismo punto las dos ondas en su punto más alto, se suman las alturas, y cuando se encuentra una onda arriba con la otra abajo, se cancelan. Puede hacerse este experimento con la cuerda que mencionamos arriba: dos personas la toman, una de cada extremo, y cada una de ellas la agita al mismo tiempo. Vendrá una onda viajando de izquierda a derecha, y otra de derecha a izquierda. Al encontrarse, si coinciden las crestas, aumentará sensiblemente la altura de la cuerda, o si coincide una cresta con un valle, se anulará la onda resultante. Este es el fenómeno conocido como interferencia.

Para probar la naturaleza ondulatoria de la luz, Young decidió ver si había interferencia ahí. Tomó dos cartones y una pantalla, y los colocó en forma paralela: del lado extremo de los cartones puso una fuente de luz, el primer cartón tenía un agujero pequeño que dejaba pasar un rayo de luz, y el cartón de en medio tenía dos agujeros. La luz que se vería en la pantalla al final sería la que pasaba por los dos agujeros, y si la luz era de naturaleza ondulatoria, entonces necesariamente tendría que observarse interferencia. En el caso de la luz, la interferencia es observada en franjas iluminadas y oscuras, colocadas verticalmente sobre una línea en la pantalla paralela a la línea que forman los dos agujeros del cartón central.

 

 

Efectivamente, aparecieron esas líneas más iluminadas y más oscuras, un perfecto análogo de las ondas que se suman cuando están en sincronía y que se anulan cuando están fuera de fase (una arriba y otra abajo). Esta prueba, extraordinariamente simple, fue un argumento contundente en favor de la teoría ondulatoria, puesto que la teoría corpuscular no podía explicar el fenómeno de la interferencia. Y la luz, ahora aceptada como de naturaleza ondulatoria, se convirtió en un sustento más de la teoría del éter, ese fluido misterioso que llenaba todo el Universo y que era lo que vibraba, y en sus vibraciones, permitía moverse a la luz.

4-El éter, descontinuado.

Ahora había que encontrar el éter, que nadie lo había visto y que los científicos habían postulado basándose en la analogía con el sonido, que era el “aire” que necesitaban para que la luz pudiera vibrar. Poco a poco los científicos han ido acostumbrándose, a lo largo de los siglos, a preguntarse cada vez menos por la naturaleza de las cosas y más por lo que hacen las cosas. Los científicos y la naturaleza son como esos matrimonios de años que han renunciado a entenderse, y todo lo que piden es que el otro se comporte en forma adecuada. Pero los científicos norteamericanos Michelson y Morley no eran así, todavía querían encontrar el éter luminífero. Sin embargo, hicieron una concesión al trato civilizado y le dijeron: “oye tú, éter: sólo Dios sabe lo que eres, pero nosotros queremos ver cómo afectas el funcionamiento de la luz” y plantearon el experimento fallido más importante de la historia de la ciencia.

 

En Cleveland, 1887, estos científicos habían diseñado un aparato sumamente sofisticado, capaz de medir en una forma indirecta la influencia del éter sobre la luz. El razonamiento fue así: el éter está en todo el Universo, en particular en el Sistema Solar. La Tierra, al moverse, cruza el éter, y tenemos 3 posibilidades:

  1. La Tierra y el éter están inmóviles uno con respecto del otro, algo así como si la Tierra tuviera pegado al éter, algo así como si la Tierra fuera el centro del Universo.
  2. La Tierra se encuentra de frente al éter en alguna época del año (digamos en junio) y se lo encuentra viajando con ella 6 meses después, por la rotación de la Tierra alrededor del Sol.
  3. El éter tiene cierta viscosidad y se pega a la superficie de la Tierra, como sucede con los barcos al moverse en el agua (el agua cercana al barco es arrastrada junto con el barco).

La primera hipótesis no parece razonable, seríamos demasiado suertudos para ser efectivamente el centro del universo, y la pareja Michelson-Morley decidió probar el efecto del éter en la velocidad de la luz, calculando la diferencia de velocidad de la luz, proyectándola en dos direcciones diferentes, con 90º de separación (un ángulo recto), razonando que el éter podía encontrarse de frente, pero no de frente y de lado. El aparato se llamaba interferómetro porque sabiendo que la luz producía interferencia, se decidieron a medir la interferencia de la luz causada por el éter.

Conceptualmente, el interferómetro de Michelson y Morley es sencillo: se envía un rayo de luz desde un punto A, en un punto B se divide ese rayo de luz en dos (una parte se deja pasar y otra se hace dar vuelta a la derecha). De B entonces salen dos rayos de luz: de frente va a dar hasta C, y a la derecha va a dar hasta D, y las distancias de B a C y B a D son exactamente iguales. En ambos lugares hay un espejo que regresa la luz a B, y ahí se juntan los dos rayos y se envían al punto de destino, E.

El punto es el siguiente: al dividir el rayo original en dos, una de las ramas podría ir a favor del éter y la otra no, pero no sería posible que el éter se moviera en la misma dirección de los dos rayos viajando en trayectorias perpendiculares. Es como poner una mano bajo el chorro de agua: si movemos la mano horizontalmente, el chorro mantendrá una presión constante, pero si subimos la mano la presión se sentirá más fuerte, y si bajamos la mano, la presión disminuye. Un ejemplo más rústico es sacar la mano de un coche en movimiento, y ponerla de palma al viento o de canto al viento, la fuerza del viento se siente más intensa cuando se pone de palma al viento.

Con este razonamiento, se deducía que el éter afectaría la velocidad de uno de los rayos de luz, aumentándola o disminuyéndola en una dirección, y dejándola igual con el otro rayo de luz. Esto es algo semejante al efecto Doppler, la diferencia en altura del sonido de la ambulancia cuando viene hacia nosotros y cuando se aleja. Habiendo retardado o acelerado uno de los rayos, al juntarse con el otro rayo se esperaría que las ondas de luz mostraran alguna falta de sincronía, es decir, mostraran interferencia. Sin embargo, después de repetir a lo largo de varios años ese experimento, con un aparato cada vez más refinado para que los errores de medición fueran pequeños con respecto a la interferencia buscada, no pudieron encontrar ninguna interferencia. Tiempo después, otros científicos perfeccionaron el experimento, siguieron buscando el éter a través de su efecto en la velocidad de la luz, y la conclusión fue la misma, una y otra vez: no aparecía efecto alguno del éter en la luz.

5-El mejor experimento fallido.

Todos esos experimentos se realizaron con la idea de medir la influencia del éter, bajo el supuesto de que efectivamente existía el éter. Insisto: no se trataba de ver de qué estaba hecho ni sus religión ni sus preferencias sexuales, nada más querían ver cómo influía en la luz, puesto que la base de esta teoría del éter era que ese medio era lo que vibraba y propagaba las ondas luminosas. Pero no apareció el efecto por ningún lado, y ahí fue donde otros científicos lo vieron un ángulo diferente: resucitar la hipótesis nula, es decir, negar la existencia del éter:

asumiendo que el éter existe, no ha aparecido ninguna influencia de él sobre la luz, a pesar de que la naturaleza ondulatoria de la luz predice interferencia. Luego, nuestra hipótesis es falsa, es decir, el éter no existe.

En realidad los científicos no dijeron que el éter no existe, sino algo parecido:

no apareces por ningún lado y no se ven tus efectos, por lo tanto no eres de utilidad. Podemos seguir haciendo ciencia sin ti.

Más adelante, este experimento fue utilizado por Lorentz y por Einstein para plantear las ecuaciones de la Teoría de la Relatividad. Michelson y Morley le despejaron el camino a Einstein para afirmar con soltura que velocidad y posición son conceptos relativos, que la masa puede variar (ya que E = mc2), y que aparentemente la velocidad de la luz es una de las pocas constantes que nos quedan vivas.

13.9.2012