Hipótesis de arrastre de éter

En el siglo XIX, la teoría del éter luminífero como un medio hipotético para la propagación de la luz fue ampliamente discutida. Una parte importante de esta discusión fue la cuestión relativa al estado del movimiento de la tierra con respecto a este medio. La hipótesis del arrastre del éter abordó la cuestión de si el éter luminífero está arrastrado o condensado dentro de la materia en movimiento. Según la primera variante no hay movimiento relativo entre la Tierra y el éter; en el segundo caso, hay un movimiento relativo, y entonces la velocidad de la luz debe depender de la velocidad de este movimiento (" el viento " cuerpo etérico ") , que debe ser medible por instrumentos en reposo en la superficie de la tierra. Los modelos específicos de éter fueron inventados por Augustin-Jean Fresnel, quien en 1818 propuso que el éter fuera arrastrado parcialmente por la materia. El otro fue propuesto por George Stokes en 1845, en el que el éter se arrastra completamente dentro o cerca de la materia. Mientras que la teoría casi estacionaria de Fresnel fue aparentemente confirmada por el experimento de Fizeau (1851), la teoría de Stokes fue aparentemente confirmada por el experimento de Michelson - Morley (1881, 1887). Esta situación contradictoria fue resuelta por los trabajos de Hendrik Antoon Lorentz (1895, 1904) cuya teoría del éter de Lorentz prohibió cualquier forma de arrastre del éter, y finalmente con el trabajo de Albert Einstein (1905) con la teoría de la relatividad especial que no contiene el éter como medio mecánico.

En 1810, François Arago se dio cuenta de que las variaciones en el índice de refracción de una sustancia predicha por la teoría corpuscular proporcionarían un método útil para medir la velocidad de la luz. Estas predicciones nacieron porque el índice de refracción de una sustancia como el vidrio depende de la relación de las velocidades de la luz en el aire y en el vidrio. Arago intentó medir cuánto los corpúsculos de luz serían refractados por un prisma de vidrio en la parte delantera de un telescopio. Esperaba que hubiera diferentes ángulos de refracción debido a la variedad de las diferentes velocidades de las estrellas y el movimiento de la Tierra en diferentes momentos del día y del año. Contrariamente a esta expectativa, encontró que no había diferencia en la refracción entre las estrellas, entre las horas del día o entre las estaciones. Todo Arago observado fue una aberración estelar ordinaria. En 1818, Augustin-Jean Fresnel examinó los resultados de Arago con la hipótesis de una teoría ondulante de la luz. Se dio cuenta de que incluso si la luz se transmitía como ondas, el índice de refracción de la interfaz vidrio - aire tendría que variar a medida que el vidrio se movía a través del éter para golpear las ondas entrantes a diferentes velocidades a medida que la Tierra giraba y las estaciones cambiaban. Fresnel propuso que el prisma de vidrio llevaría consigo parte del éter de tal manera que ". el éter está en exceso dentro del prisma." La velocidad de la luz v y {\displaystyle v_ {n}} en el vaso está dado por: según el arrastre v d {\displaystyle v_{d}} está dada por: donde ρ y {\displaystyle \rho _ {e}} es la densidad del éter en el, ρ Gram {\displaystyle \rho _ {g}} es la densidad del éter en el vidrio y v {\displaystyle v} es la velocidad del prisma comparada éter Se dio cuenta de que la velocidad de propagación de las ondas depende de la densidad del medio propuesto de modo que la velocidad de la luz en el prisma tendría que ser regulada por una cantidad de "arrastre" . Factor ( 1 − ρ y ρ Gram ) {\displaystyle (1 - {\frac {\Rho _ {e}} {\rho _ {g}}})} se puede escribir como ( 1 − 1 y 2 ) {\displaystyle (1 - {\frac {1} {n^{2}}})} dado que el índice de refracción, n, dependería de la densidad del éter. Esto se conoce como coeficiente de arrastre de Fresnel. La velocidad de la luz en el vidrio viene dada por: esta corrección logró explicar el resultado nulo del experimento de Arago. Introduce el concepto de que el éter en gran medida estacionario es arrastrado por sustancias como el vidrio, pero no por el aire. Su éxito favoreció la teoría ondulatoria de la luz sobre la teoría corpuscular anterior. El coeficiente de arrastre de Fresnel fue confirmado directamente por el experimento de Fizeau y sus réplicas. En general, con la ayuda de este coeficiente se puede explicar el resultado negativo de todos los experimentos de deriva de éter óptico lo suficientemente sensibles como para detectar efectos de primer orden (como los experimentos de Arago, Fizeau, Hoek, Airy, Mascart). La noción de éter (casi) estacionario también es consistente con la aberración estelar. Sin embargo, esta teoría se considera refutada por las siguientes razones:.

Para George Stokes (1845) el modelo de un éter totalmente inerte o solo parcialmente arrastrado por la materia en movimiento era antinatural y poco convincente, por lo que supuso que el éter estaba completamente arrastrado Dentro y en las inmediaciones de la materia, en parte arrastrado a grandes distancias, y estaba en reposo en el espacio libre. Heinrich Rudolf Hertz (1890) también asumió un modelo de arrastre etérico completo en su elaboración de la teoría del electromagnetismo de Maxwell, para adaptarla al principio de la relatividad galileana. Es decir, si se asume que el éter está en reposo dentro de la materia en un marco de referencia dado, la transformación galileana da como resultado que la materia y el éter (arrastrado) viajan con la misma velocidad en otro marco de referencia. La teoría del arrastre completo de éter puede explicar el resultado negativo de todos los experimentos de deriva de éter (como el experimento de Michelson - Morley). Sin embargo, esta teoría se considera incorrecta porque en contraste con los siguientes experimentos: Stokes ya en 1845 introdujo algunas hipótesis adicionales con el fin de alinear su teoría con los resultados experimentales. Para explicar la aberración, asumió que su éter incompresible también es irrotacional, lo que daría, en relación con su modelo específico de arrastre de éter, La Ley correcta de la aberración. Para reproducir el coeficiente de arrastre Del Fresnel (y, por lo tanto, para explicar el experimento de Fizeau), ha argumentado que el éter se arrastra completamente dentro de una mitad, es decir, que el éter se condensa cuando entra en el medio y se enrarece cuando sale de nuevo, lo que cambia la velocidad del éter, así como la de la luz y conduce a la misma expresión de la lente de Fresnel. Incluso si la teoría de la aberración de Stokes se consideraba válida durante algún tiempo, tuvo que renunciar porque Lorentz en 1886 sostuvo que cuando el éter es incompresible como en la teoría de Stokes y si el éter tiene el mismo componente normal de velocidad de la tierra, no tendría el mismo componente de velocidad tangencial, entonces todas las condiciones planteadas por Stokes no se pueden cumplir al mismo tiempo. Otra versión del modelo de Stokes fue propuesta por Theodor Des Coudres y Wilhelm Wien (1900). Estos asumían que el arrastre del éter era proporcional a la masa gravitacional. Es decir, el éter es arrastrado completamente por la Tierra y solo parcialmente arrastrado por objetos más pequeños a la Tierra. Y para salvar la explicación de Stokes de la aberración, Max Planck (1899) argumentó en una carta a Lorentz que el éter puede no ser incomprensible, sino condensado por la gravitación en las proximidades de la Tierra, y esto proporcionaría las condiciones necesarias para la teoría de Stokes (" teoría de Stokes - Planck ") . Comparado con los experimentos anteriores, este modelo puede explicar los resultados positivos de los experimentos de Fizeau y Sagnac, porque la pequeña masa de esos instrumentos solo puede arrastrar parcialmente (o no en absoluto) el éter, y por la misma razón explica el resultado negativo de los experimentos de Logia. También es compatible con el experimento de Hammar y Michelson - Morley, ya que el éter es arrastrado completamente por la gran masa de la Tierra. Sin embargo, esta teoría fue refutada directamente por el experimento de Michelson – Gale – Pearson (1925). La gran diferencia de este experimento de los experimentos habituales de Sagnac es el hecho de que se midió la rotación de la Tierra misma. Si el éter es arrastrado completamente por el campo gravitacional de la tierra, uno debería esperar un resultado negativo, pero el resultado fue positivo. Y desde un punto de vista teórico, Hendrik Antoon Lorentz señaló que la hipótesis de Stokes - Planck requiere que la velocidad de la luz no se vea afectada por un aumento de 50.000 veces en la densidad del éter. Así que Lorentz y el propio Planck rechazaron esta hipótesis como improbable.

Cuando Lorentz se vio obligado a abandonar la hipótesis de Stokes, eligió el modelo de Fresnel como su punto de partida. Logró reproducir el coeficiente de arrastre de Fresnel en 1892, aunque en la teoría de Lorentz representa una modificación de la propagación de las ondas de luz, no el resultado de cualquier arrastre del éter. Por lo tanto, el éter de Lorentz es completamente estacionario o inmóvil. Sin embargo, esto conduce al mismo problema que ya plagaba el modelo de Fresnel: estaba en contradicción con el experimento de Michelson - Morley. Así, George Francis FitzGerald (1889) y Lorentz (1892) introdujeron una contracción de la longitud, es decir, todos los cuerpos se contraen en la línea de movimiento por el factor 1 − v 2 / c 2 {\displaystyle {\sqrt {1-v^{2} / c^{2}}}} . Además, en la teoría de Lorentz, la transformación de Galileo fue reemplazada por la transformación de Lorentz. Sin embargo, el aumento de las suposiciones para salvar el concepto de éter estacionario se consideró extremadamente artificial. Así fue Albert Einstein (1905), al darse cuenta de que era suficiente tomar solo el principio de la relatividad y la invariancia de la velocidad de la luz en todos los sistemas de referencia, inercial, para desarrollar la teoría de la relatividad especial, y derivar de esto la transformación completa de Lorentz. Todo esto se logró dejando fuera el concepto de éter estacionario. Como muestra Max von Laue (1907), la relatividad predice el resultado del experimento de Fizeau aplicando el teorema de la adición de velocidad sin la necesidad de un éter. Indicando con V {\displaystyle V} la velocidad de la luz en relación con el aparato Fizeau y U {\displaystyle U} la velocidad de la luz en relación con el agua y v {\displaystyle v} la velocidad del agua, tiene las siguientes relaciones: que, si v / c es lo suficientemente pequeño, se puede aproximar a través de la expansión binomial para convertirse: este resultado es idéntico a la ecuación de Fresnel.

Maurice Allais en 1959, propuso una hipótesis etérica que involucraba una velocidad del viento de unos 8 km/s, mucho menor que el valor estándar de 30 km / s apoyado por científicos del siglo XIX y compatible con los experimentos de Michelson – Morley y Dayton Miller, sin embargo compatible con sus experimentos sobre el controvertido efecto Allais, impredecible por la relatividad general. Aunque abogó por la necesidad de Otra teoría de la gravedad, su hipótesis no obtuvo un apoyo significativo entre los científicos convencionales.

En la física moderna (que se basa en la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica), el éter como una "sustancia material" con un "estado de movimiento" ya no juega ningún papel. Por lo tanto, las cuestiones relativas a un posible "arrastre del éter" ya no son consideradas significativas por la comunidad científica. Sin embargo, existe el efecto de arrastre según lo predicho por la relatividad general, en el que las masas rotativas distorsionan la métrica del espacio-tiempo, causando precesión de la órbita, especialmente en partículas que pasan cerca del centro de rotación. Sin embargo, este efecto es varios órdenes de magnitud más débil que cualquier "resistencia etérica" discutida en este artículo.

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