16. La teoría de la relatividad especial y la experiencia
La pregunta
de hasta qué punto se ve apoyada la teoría de la relatividad especial por la
experiencia no es fácil de responder, por un
motivo que ya mencionamos al hablar del experimento fundamental de Fizeau. La teoría
de la relatividad especial cristalizó a partir de la teoría de Maxwell-Lorentz de los fenómenos electromagnéticos, por lo cual todos los hechos
experimentales que apoyan esa teoría
electromagnética apoyan también la
teoría de la relatividad. Mencionaré aquí, por ser de especial importancia, que la teoría de la relatividad permite derivar, de manera extremadamente simple y en consonancia con la experiencia, aquellas
influencias que experimenta la luz de las estrellas fijas debido al movimiento relativo de la Tierra respecto a
ellas. Se trata del desplazamiento anual de la posición aparente de las estrellas fijas como consecuencia del movimiento terrestre alrededor del Sol
(aberración) y el influjo que ejerce la componente radial de los
movimientos relativos de las estrellas fijas respecto
a la Tierra sobre el color de la luz que llega hasta nosotros; este influjo se manifiesta en un pequeño corrimiento de
las rayas espectrales de la luz que nos llega desde una estrella fija,
respecto a la posición espectral de las
mismas rayas espectrales obtenidas con
una fuente luminosa terrestre (principio de Doppler). Los argumentos
experimentales a favor de la teoría de
Maxwell-Lorentz, que al mismo tiempo son argumentos a favor de la teoría de la relatividad, son demasiado copiosos
como para exponerlos aquí. De hecho,
restringen hasta tal punto las posibilidades teóricas, que ninguna otra teoría
distinta de la de Maxwell-Lorentz se
ha podido imponer frente a la experiencia.
Sin embargo, hay dos
clases de hechos experimentales constatados
hasta ahora que la teoría de Maxwell-Lorentz
sólo puede acomodar a base de recurrir a una hipótesis auxiliar que de suyo —es decir, sin utilizar la teoría de la relatividad—parece extraña.
Es
sabido que los rayos catódicos y los así llamados rayos (3 emitidos por
sustancias radiactivas constan de corpúsculos eléctricos
negativos (electrones) de pequeñísima inercia y gran velocidad. Investigando la desviación de estas radiaciones bajo la influencia
de campos eléctricos y magnéticos se puede estudiar muy exactamente la ley del movimiento de estos
corpúsculos.
En el
tratamiento teórico de estos electrones hay que luchar con
la dificultad de que la Electrodinámica por sí sola no es
capaz de explicar su naturaleza. Pues dado que las masas eléctricas de igual
signo se repelen, las masas eléctricas negativas que constituyen el electrón deberían separarse unas de otras bajo la
influencia de su interacción si no fuese por la acción de otras fuerzas
cuya naturaleza nos resulta todavía oscura[1]. Si suponemos ahora que las distancias relativas de las
masas eléctricas que constituyen el
electrón permanecen constantes al moverse éste (unión rígida en el sentido de la Mecánica clásica), llegamos a una ley del
movimiento del electrón que no
concuerda con la experiencia. H. A. Lorentz, guiado por consideraciones puramente formales, fue el primero en introducir la
hipótesis de que el cuerpo del
electrón experimenta, en virtud del movimiento, una contracción proporcional a
la expresión
en la dirección del movimiento.
Esta
hipótesis, que electrodinámicamente no se justifica en modo
alguno, proporciona esa ley del movimiento que se ha visto confirmada con gran
precisión por la experiencia en los últimos años.
La
teoría de la relatividad suministra la misma ley del movimiento
sin necesidad de sentar hipótesis especiales sobre la
estructura y el comportamiento del electrón. Algo
análogo ocurría, como hemos visto en §13, con el
experimento de Fizeau, cuyo resultado lo explicaba la teoría de la relatividad
sin tener que hacer hipótesis sobre la
naturaleza física del fluido.
La segunda clase de hechos que hemos señalado
se refiere a la cuestión de si el movimiento terrestre en el espacio
se puede detectar o no en experimentos efectuados en la Tierra. Ya indicamos
en §5 que todos los intentos realizados en este sentido dieron resultado negativo.
Con anterioridad a la teoría relativista, la ciencia no
podía explicar fácilmente este resultado negativo, pues
la situación era la siguiente. Los viejos prejuicios
sobre el espacio y el tiempo no permitían ninguna duda
acerca de que la transformación de Galileo era la
que regía el paso de un cuerpo de referencia a otro.
Suponiendo entonces que las ecuaciones de Maxwell-Lorentz sean válidas para
un cuerpo de referencia K, resulta
que no valen para otro cuerpo de referencia K' que se mueva
uniformemente respecto a K si se acepta que entre las coordenadas de K y
K' rigen las relaciones de la
transformación de Galileo. Esto parece
indicar que de entre todos los sistemas de coordenadas de Galileo se destaca físicamente uno (K) que posee
un determinado estado de movimiento. Físicamente se interpretaba este resultado diciendo que K está en reposo respecto a un hipotético éter
luminífero, mientras que todos los
sistemas de coordenadas K' en movimiento respecto a K estarían también en
movimiento respecto al éter. A este
movimiento de K' respecto
al éter («viento del éter» en relación a K') se
le atribuían las complicadas leyes que supuestamente valían respecto a K'.
Para ser consecuentes, había que postular
también un viento del éter semejante con relación a la Tierra, y los
físicos pusieron durante mucho tiempo todo su
empeño en probar su existencia.
Michelson
halló con este propósito un camino que parecía
infalible. Imaginemos dos espejos montados sobre un
cuerpo rígido, con las caras reflectantes mirándose de frente. Si todo este
sistema se halla en reposo respecto al éter luminífero, cualquier rayo de luz necesita
un tiempo muy determinado T para ir de un espejo al
otro y volver. Por el contrario, el tiempo (calculado)
para ese proceso es algo diferente (T ‘) ‘cuando el
cuerpo, junto con los espejos, se mueve respecto al éter. ¡Es más! Los
cálculos predicen que, para una determinada velocidad v respecto
al éter, ese tiempo T ‘ es distinto cuando el cuerpo se
mueve perpendicularmente al plano de los espejos que cuando
lo hace paralelamente. Aun siendo ínfima la diferencia calculada
entre estos dos intervalos temporales, Michelson y Morley realizaron un
experimento de interferencias en el que esa discrepancia tendría
que haberse puesto claramente de manifiesto. El resultado
del experimento fue, no obstante, negativo, para gran
desconcierto
de los físicos. Lorentz y FitzGerarld sacaron a la teoría de este desconcierto, suponiendo que el movimiento del cuerpo respecto al éter determinaba
una contracción de aquél en la
dirección del movimiento y que dicha contracción compensaba justamente
esa diferencia de tiempos. La comparación
con las consideraciones de §12
demuestra que esta solución era también la correcta desde el punto de vista de la teoría de la relatividad. Pero la interpretación de la situación
según esta última es
incomparablemente más satisfactoria. De acuerdo con ella, no existe ningún sistema de coordenadas privilegiado que dé pie a introducir la idea
del éter, ni tampoco ningún viento del éter ni experimento alguno que lo ponga de manifiesto. La contracción
de los cuerpos en movimiento se sigue
aquí, sin hipótesis especiales, de los
dos principios básicos de la teoría; y lo
decisivo para esta contracción no es el movimiento en sí, al que no podemos atribuir ningún sentido,
sino el movimiento respecto al cuerpo
de referencia elegido en cada caso.
Así pues, el cuerpo que sostiene los espejos en el experimento de Michelson y Morley no se acorta respecto a un sistema de referencia
solidario con la Tierra, pero sí
respecto a un sistema que se halle en reposo
en relación al Sol.
[1] La teoría de la relatividad general propone la idea de que las masas
eléctricas de un electrón se mantienen unidas por fuerzas gravitacionales.
No hay comentarios:
Publicar un comentario