Un Experimento Crucial
(Primer desarrollo: 10 de
abril de
2003
Última modificación: 18 de abril de 2003)
En la historia de la ciencia se llaman experimentos cruciales a aquellos que son capaces de inclinar la balanza hacia una u otra de dos o más teorías en competencia.
La teoría de la generación espontánea, la teoría del flogisto, la teoría del geocentrismo, la teoría del "principio vital" para las sustancias orgánicas, etc, etc, recibieron sendos dictámenes lapidarios mediante algún experimento denominado "crucial". Y, mediante estos experimentos tomaron fuerza otras teorías que pasaron a formar el nuevo paradigma científico.
Sin embargo, si algo es seguro en la ciencia, es que las verdades absolutas son muy pocas y la misma historia de la ciencia muestra numerosos ejemplos donde:
La balanza oscila en el favoritismo de una u otra teoría. El caso más conocido es, posiblemente, el de las teorías corpuscular y ondulatoria para la luz. En este caso existen experimentos cruciales que demuestran la validez de ambas teorías. Y la solución ha sido "salomónica": como resultado de ambos juegos de experimentos se desarrollo la "dualidad" onda-partícula.
Dos o más teorías competitivas permanecen en escena aunque cada una proclama haber "derrotado" a la otra. Las teorías relacionadas al comportamiento del cerebro humano son un excelente ejemplo de esta situación, donde brillantes pensadores se alinean en diferentes corrientes de pensamiento.
Dos o más teorías de primer orden, cada una aceptada como paradigma en su campo de aplicación directa, generan resultados contradictorios entre sí. La Cuántica y la Relatividad entran en esta categoría.
Otra característica de los experimentos cruciales es que carecen de significado hasta que se elabore una teoría que permita interpretarlos. Con esto quiero decir que todo experimento requiere un marco interpretativo. Y muchas veces el mismo experimento que se usaba para validar una teoría pasa a ser el pilar fundamental de la teoría siguiente. En Posturas.htm analicé el caso de las piedras que caen al pie de las torres. Este experimento, que era usado para demostrar la inmovilidad de la Tierra, después pasó a ser uno de los pilares básicos del principio de inercia.
Acercándonos más al tema propio de este sitio puedo mencionar que el experimento de Michelson no fue diseñado como experimento crucial, sino que formó parte de un diseño convencional para medir algo esperable dentro del marco de la teoría dominante. Este experimento no se diseñó para rebatir la existencia del "éter", sino para medir nuestra velocidad de traslación respecto de dicho "éter".
Sin embargo, el experimento de Michelson terminó siendo un experimento crucial.
Pero la interpretación del resultado negativo de este experimento dio lugar a, por lo menos, dos nuevas teorías principales:
La teoría de Lorentz, donde los sistemas físicos sufren alteraciones debido a su velocidad de traslación con respecto al éter.
La teoría de la Relatividad Especial de Einstein, donde las alteraciones de Lorentz son sólo aparentes y surge un nuevo paradigma: La constancia de la velocidad de la luz para todos los sistemas inerciales.
Y, aunque la RE es ciertamente la Teoría Dominante en los últimos casi 100 años, la teoría de Lorentz (o alguna variante de ella) sigue manteniendo numerosos adeptos.
Y esta breve introducción obedece a mi intención de usar esta página para presentar en experimento crucial entre estas dos teorías competitivas. :-)
En pocas palabras si pudiéramos demostrar inequívocamente que la velocidad de la luz depende (o no) de la dirección (ida o vuelta) del rayo luminoso estaríamos brindando una prueba experimental en favor o en contra de uno de los pilares de la RE.
Hasta el momento lo que constituye un resultado experimental irrefutable es que la velocidad de la luz medida como promedio de los recorridos de ida y vuelta es una constante universal.
La constancia del valor de c, en recorridos "one way" (ida o vuelta solamente) es sólo un postulado de la RE, necesario para establecer el sincronismo de relojes que lleva a las transformadas de Lorentz.
Para medir la velocidad de la luz en un solo sentido es necesario registrar el tiempo que tarda la luz en recorrer una determinada distancia. Y como dicha "determinada distancia" se define mediante dos puntos de observación diferentes, eso implica que, previamente, los relojes a emplear deben sincronizarse. Pero si para este fin empleamos el sincronismo de Einstein nos estaríamos "mordiendo la cola" dado que el sincronismo de Einstein presupone que la velocidad de la luz es independiente del sentido de desplazamiento. En consecuencia, para llevar a cabo una medición exitosa debemos independizarnos de la luz para "sincronizar" los relojes a emplear. Y esta tarea no es sencilla. :-)
En pocas palabras lo que se necesita es un par de eventos que puedan declararse simultáneos (en un sentido absoluto) sin necesidad de emplear la luz para verificarlo
Veamos entonces la forma en que creo que puede llevarse a cabo este experimento.
Existen muchas variantes para intentar esta medición, pero ninguna de ellas es de fácil implementación. La razón es muy sencilla: La luz recorre unos 300 Km en una milésima de segundo. Y estas magnitudes son de difícil manejo a escala de laboratorio.
No obstante existen mediciones de la velocidad de la luz en recorridos de un solo sentido. Son las mediciones astronómicas, tanto de Roemer (en base a la variación en el tiempo de ocultación de los satélites de Júpiter) como la de Bradley (aberración estelar atribuida a la composición de la velocidad orbital de la Tierra y la velocidad de la luz proveniente de las estrellas). Pero estas mediciones carecen de la sensibilidad (precisión) necesaria para detectar pequeños cambios en el valor de c con la dirección del rayo luminoso.
Por la dificultad apuntada las mediciones precisas de c, en laboratorio, resultan de promediar la velocidad de las ondas electromagnéticas en recorridos de ida y vuelta de la señal.
Uno de los experimentos más conocidos a escala de laboratorio, por la simplicidad de concepción, es el de la rueda dentada de Fizeau. Este excelente experimentador concibió un experimento en el que interpuso una rueda dentada giratoria en el camino del rayo luminoso. De este modo, el rayo que pasa por una hendidura de la rueda, es reflejado en un espejo distante y vuelve a pasar por el borde de la rueda dentada.
Cuando la velocidad tangencial de la rueda es lo bastante elevada como para que la ranura sea reemplazada por una saliente, mientras el rayo realiza su recorrido de ida y vuelta, se produce una anulación completa del rayo reflejado. En otras palabras la velocidad de la rueda se incrementa hasta que ocurre lo siguiente:
El rayo pasa por una hendidura de la rueda giratoria y realiza un recorrido más o menos extenso reflejándose en un espejo distante.
Mientras el rayo hace su recorrido la rueda avanza lo suficiente como para interponer una saliente en el camino del rayo de retorno.
En esas condiciones, si conocemos la velocidad tangencial de la rueda, podemos calcular la velocidad de la luz en su recorrido de ida y vuelta.
Algunos números permitirán clarificar las magnitudes que estamos manejando.
Supongamos que la luz recorre 3 km en su viaje de ida y vuelta (el espejo está a 1.5 km de la rueda dentada giratoria.
A razón de 300,000 km/seg, los 3 km son recorridos en 0.00001 seg.
Si los dientes y las ranuras tienen un ancho de 1 cm, la velocidad tangencial de la rueda (para producir un eclipse total) es de 1 cm en 0.00001 seg o 1000 m/seg.
Si la rueda tuviera 1 m de circunferencia (Radio = 16 cm) debería girar a razón de 1000 vueltas por segundo o 60,000 rpm. !!. (Nota: Con ranuras y salientes de 1 mm de espesor la velocidad decrece hasta 6,000 rpm pero la medición es mucho más delicada)
Como se observa, no es una experiencia sencilla de laboratorio. Aunque, por supuesto, fue realizada y con excelentes resultados.
Variantes de esta metodología y otras igualmente ingeniosas son las que han permitido establecer el valor y la constancia de c con una exactitud de no menos de 7 cifras significativas.
En las Figuras 1 y 2 se muestra una variante de esta experiencia, pero empleando no una, sino dos ruedas dentadas solidarias, impulsadas por un motor central M. De esta forma nos evitamos el empleo del espejo y resultaría posible medir la velocidad de la luz en un solo sentido.
En dichas figuras, la letra F se emplea para identificar las fuentes de luz, en tanto que la letra D se emplea para identificar los detectores de la intensidad luminosa.
Por supuesto que dibujar estos esquemas me insumió algún tiempo, pero mucho más tiempo llevaría construir un aparato real capaz de hacer este tipo de mediciones en forma confiable y con la exactitud requerida.
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| Fig. 1. - El aparato está en reposo o gira lentamente. Las ranuras están alineadas de modo que el rayo de luz que pasa por una rueda, también lo hace por la otra. |
Los esquemas presentados requieren dos aclaraciones:
Las figuras no están a escala. Las ruedas serían de menos de un metro de diámetro y la distancia que las separa debe ser de muchos metros.
La Fig 2 está un poco alterada para transmitir el concepto que se busca. En el esquema las ruedas no están alineadas, pero en la realidad deberían estarlo. La "perdida" de alineación se produciría por el adelanto de una rueda respecto de la otra mientras el rayo recorre la distancia R1-R2.
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| Fig. 2. - Impulsado por el motor M, el aparato está girando a la velocidad adecuada como para que el rayo de luz que pasa por la ranura de una rueda choque con una saliente en la otra. En sentido contrario el eclipse puede no ser total. |
No es sencillo garantizar que, aunque las ruedas estén alineadas en reposo, o a bajos regímenes de giro, mantengan la alineación a elevadas revoluciones. durante la aceleración, un eje muy largo puede sufrir torsiones que desalinearían las ruedas trabajando elevadas revoluciones.
Desafortunadamente el eje es indispensable, pues de otra forma hay que sincronizar el giro de las ruedas mediante dos motores independientes. Y una vez sincronizadas (empleando la luz para este fin), nos encontramos en la misma situación que con el sincronismo de Einstein para relojes distantes. En este caso el experimento perdería su aplicabilidad pues, como ya se estableció, la "novedad" de esta experiencia reside en tratar de generar dos sistemas sincronizados mediante un mecanismo independiente de c.
Nota: El párrafo previo y la explicación asociada eran incorrectos en la primera versión de esta página. :-(
Este aparato no está destinado a medir la velocidad de la luz, sino a detectar variaciones de la misma en caminos de ida y de vuelta.
De este modo la secuencia de medición sería:
Se hace la alineación minuciosa de las ruedas enviando rayos en la dirección A-B y en la dirección B-A, en muchas posiciones, con las ruedas en reposo (Fig. 1). DB es un detector adecuado para medir la intensidad del rayo emitido por FA y DA mide la intensidad del rayo emitido por FB. Al final de esta etapa se dispone de dos ruedas en reposo, alineadas ópticamente.
Metafóricamente podría decirse que en este punto cada rueda coincide con la sombra que proyectaría la otra, al ser iluminada desde un punto muy distante, ubicado en la línea que coincide con el eje de giro de las ruedas.
Se establece un régimen de giro en R1 y R2, adecuado para que la rueda R2 haga avanzar una saliente (en reemplazo de la hendidura) mientras el rayo recorre la distancia R1-R2 a razón de unos 300,000 km/seg. El eclipse debe ser máximo (en el caso ideal debe ser un eclipse total, como se indica en la Fig. 2) y estable en el tiempo.
Se hace exactamente lo mismo pero buscando el eclipse máximo para la señal luminosa viajando en la dirección B-A.
Se pueden producir dos resultados.
El régimen de giro para eclipsar la señal B-A es idéntico al necesario para eclipsar la señal A-B.
El régimen de giro para eclipsar la señal B-A es diferente del necesario para eclipsar la señal A-B.
El primer resultado indicaría que el postulado de Einstein se corresponde con la realidad experimental.
El segundo resultado indicaría que es necesario cambiar algunas cosas en nuestra concepción del universo. :-)
Por supuesto que este experimento además de determinar una posible diferencia en la velocidad de la luz, aportaría el valor cuantitativo de esta diferencia. Y aprovechando la rotación de la Tierra y diferentes orientaciones Norte- Sur podría establecer no sólo la magnitud, sino la orientación del desplazamiento "absoluto" de la Tierra.
Y, en mi opinión, no sería de extrañar que tanto el valor absoluto, como la orientación, coincidan con los valores determinados por el dipolo de anisotropía del Fondo Cósmico de Microondas (CMB). :-)
Conforme a la interpretación que se hace del dipolo de anisotropía en el CMB, éste sería el resultado del efecto Doppler que genera el Sistema Solar (Tierra incluida) al trasladarse a unos 300 Km/seg con respecto al increíblemente homogéneo fondo de microondas. A su vez el fondo de microondas representaría algo así como el eco atenuado de la Gran Explosión (Big Bang).
Podemos asumir, entonces, que el experimento bosquejado en esta página debe ser capaz de detectar cambios de ±300 Km/seg sobre un valor absoluto de 300,000 Km/seg. En otras palabras, al invertir el sentido de viaje del rayo luminoso se espera una variación máxima en el valor de de c (unidireccional), entre 300,300 Km/seg y 299,700 Km/seg.
Y los números anteriores representan variaciones de 1/1,000 con respecto al valor medio. (± 300 en 300,000).
A efectos de realizar mediciones significativas, las ruedas dentadas deben ser capaces de mantener en forma estable su régimen de revoluciones con una precisión 10 veces mayor que lo que tratamos de detectar. Esto significa una estabilidad de 1/10,000. Vale decir que se necesitan un mecanismo capaz de girar a más de 10,000 rpm con una estabilidad de ±1 rpm.
Estimo que la tecnología actual está en condiciones de cumplir con este grado de exigencia, por lo que deduzco que lo que se plantea es una experiencia realizable.
Los siguientes son algunos comentarios técnicos generales asociados a la posible realización de esta experiencia:
Las ruedas deberían girar en vacío.
El motor debe estar centrado en el eje y toda la estructura debe tener una estructura simétrica con respecto al centro de dicho eje.
El rozamiento debe ser minimizado hasta extremos muy exigentes. De hecho, entiendo que el caso ideal es el de lograr que, luego de la aceleración, el motor central pueda sacarse de servicio y dejar que las ruedas mantengan el giro estabilizado en base a su inercia.
Los requisitos previos parecen más alcanzables en el caso de montar la estructura en una órbita terrestre. En este caso el vacío sería óptimo, no habría rozamiento apreciable y no habría deformación del extenso eje por influencia de la gravedad.
Y.... no tengo dudas de que resultaría interesante realizar la experiencia. :-)
NOTA: Después de la primera redacción de esta página, Jorge H. Cordero - [email protected] me hizo llegar la siguiente dirección
http://www.c.dol.ru/index1_i.htm
Donde no sólo se describe una experiencia muy similar (creo que se podría calificar de idéntica), sino que los autores proclaman haber alcanzado un resultado positivo y de la magnitud mencionada más arriba. Esta experiencia habría sido llevada a cabo por S. Marinov (Austria) en 1984. ¿¿!!??.
En la Fig. 3 se muestra el esquema del aparato de Marinov, donde se aprecia la similitud básica con el aparato esquematizado en esta página.
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| Fig. 3 - Esquema de la medición de Marinov |
De hecho, de acuerdo a la información disponible en la Web, tanto Marinov como Silvertooth parecen haber realizado experiencias exitosas para detectar el movimiento absoluto de La Tierra. Y el resultado de ambos experimentadores sería razonablemente coincidente con el que se deduce del dipolo de anisotropía del fondo cósmico de microondas (CMB).
Nota: No dispongo de los trabajos o publicaciones originales de ambos autores. Sólo encuentro referencias a sus resultados.
Jorge H. Cordero - [email protected] - escribió el 12-04-2003
Una forma práctica de efectuar la determinación de la constancia de la velocidad de la luz en cualquier dirección y sentido sería la siguiente:
Se ubican dos relojes suficientemente precisos (relojes atómicos) a una distancia d, para simplificar sincronizados. Cada segundo ambos relojes envían una señal al otro. Se medirá la diferencia entre los tiempos de llegada en cada reloj. La señal puede enviarse con un láser, una lámpara de descarga o a través de un enlace de microondas.
La ventaja del enlace de microondas es que todavía hay muchos instalados y suelen tener longitudes de varias decenas de kilómetros. Si la velocidad es la misma en ambos sentidos, las señales llegarán cuando los relojes marquen la misma hora y la diferencia será cero. Como el camino que siguen los rayos es casi el mismo, las diferencias (pequeñas) que puedan producirse por efectos atmosféricos se compensarán. Lo mismo ocurrirá con las variaciones en la distancia por efecto de mareas y dilataciones. Las vibraciones pueden originar variaciones en la medida pero aparecerán como un ruido que se puede filtrar procesando los datos. Si los relojes tienen distinta frecuencia esta se verá como una variación lineal de la medida que se puede eliminar procesando los datos.
Esto funciona prácticamente igual que un interferómetro y si la velocidad de la luz depende del sentido, se verá una variación diaria en el valor de la diferencia en el instante de llegada de las señales.
A lo que yo (Marcelo) he respondido que parece una experiencia interesante y posible. Sin embargo luego de mirar en Internet, encuentro que este tipo de experiencia es casi una cosa cotidiana a través del sistema GPS con relojes estables y exactos en un nano-segundo/día (10-9 seg/día) donde no se detecta cambios en el valor de c (en una sola dirección) a lo largo del día . Pero por otro lado también existen publicaciones que explican el resultado negativo mediante alteraciones como las que dan lugar al corrimiento nulo del experimento de Michelson-Morley.
En http://www.ping.be/~pin30390/imposs.htm
Además de un desarrollo completo, podemos leer "... In fact, my theory is correct, but something has been forgotten: the change of the frequencies of the clocks during the 180° rotation, which cancel apparently exactly the expected time-phase-shift due to the anisotropy of the speed of light.... "
Y en http://www.metaresearch.org/cosmology/gps-relativity.asp
puede verse un desarrollo y discusión más completa, que termina sin preferencias para elegir entre la concepción de Lorentz o la de Einstein.
Como comentario final, creo que, aunque vale la pena profundizar en el tema de los relojes atómicos sincronizados, la experiencia con ruedas dentadas propuesta en esta página no adolece de posibles impugnaciones derivadas de longitudes o relojes alterados pues no hay que girar el aparato para hacer las mediciones en uno y otro sentido. Con la experiencia de ruedas dentadas aquí bosquejada un resultado negativo sólo puede explicarse si la velocidad de la luz no depende del sentido de traslación.
También Jorge H. Cordero - [email protected] - escribió el 17-04-2003S
Se me ocurrió otro experimento que, como no domino el tema, soy incapaz de evaluar si es factible o no.
Supongamos una guía de ondas de longitud
d cortocircuitada en sus extremos, esto es un resonador caracterizado por un
cierto factor de calidad Q (la ganancia en estado de resonancia es proporcional
a Q).
Si la orientación es perpendicular al movimiento absoluto la velocidad de las
ondas de ida y vuelta son iguales. En este caso para una determinada frecuencia
se establece la resonancia y se forma una onda estacionaria en el resonador.
Si la velocidad de las ondas de ida y vuelta es diferente las condiciones de resonancia perfecta no se pueden establecer nunca. Estoy suponiendo que lo que varía con la velocidad es la longitud de onda y no la frecuencia. El resonador se comportará como si la frecuencia de excitación fuera algo distinta a la de resonancia (para el caso anterior), al menos eso supongo.
Si todo lo anterior es cierto lo que observaríamos es una variación del factor de calidad Q en función de la orientación espacial del resonador. No hay relojes solo una propiedad física de la cavidad. Algunos de los últimos experimentos para medir la velocidad de la luz han utilizado cavidades resonantes y me pregunto si este efecto no se hará patente en ellos.
