El interferómetro de Michelson

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El interferómetro de Michelson es una configuración común para la interferometría óptica y fue inventado por Albert Abraham Michelson.

Usando un divisor de rayos, una fuente de luz se divide en dos brazos. Cada uno de esos rayos de luz es reflejado hacia el divisor de rayos que luego combina sus amplitudes usando el principio de superposición. El patrón de interferencia resultante que no se dirige de nuevo hacia la fuente se dirige típicamente a algún tipo de detector fotoeléctrico o cámara. Para diferentes aplicaciones del interferómetro, los dos caminos de luz pueden ser de diferentes longitudes o incorporar elementos ópticos o incluso materiales bajo prueba.

Historia del desarrollo del interferómetro

Falla. Esta palabra (el sustantivo, no el verbo) se ha convertido en los últimos años en un término común de abuso entre los «escépticos» de la ciencia dominante (genética, climatología, vacunación); un término que gotea en vitriolo y que combina la burla «te lo dije» con implicaciones de estupidez e ignorancia para el objetivo.

Pero en realidad, el fracaso es un pilar de la ciencia. Cuando un experimento no se ajusta a su predicción, es un fracaso – tal vez de diseño o ejecución, o tal vez de su idea. Como Richard Feynman memorablemente dijo, no importa ‘cuán hermosa sea tu suposición… cuán inteligente seas… quién hizo la suposición o cómo se llama… si no está de acuerdo con el experimento está equivocado’. En este caso, ¿el fracaso no constituye un aprendizaje?

Entre los mayores experimentos fallidos están las mediciones de Albert Michelson de la velocidad de la luz, fallas que marcarían el comienzo de una nueva era en la ciencia y una nueva comprensión del movimiento de todo, desde los electrones hasta las galaxias.

Albert Michelson

Michelson nació en lo que hoy es Polonia, pero en el apogeo de la fiebre del oro de California, sus padres emigraron a América. Estudió física en la Academia Naval de Annapolis y luego se quedó para enseñar a los cadetes. Descubrió su vocación por accidente al montar una demostración del hermoso experimento Foucault-Fizeau para determinar la velocidad de la luz: un rayo rebota en un espejo giratorio, viaja a un espejo fijo y vuelve a su camino hacia la fuente. Pero, debido a que el primer espejo se mueve, el rayo que regresa se desplaza de la fuente en una cantidad que depende de la tasa de rotación y la velocidad de la luz. Al colimar el rayo, Michelson aumentó la precisión de la medición en un par de órdenes de magnitud. La precisión se convertiría en la consigna de Michelson.

Buscando la velocidad de la luz

Léon Foucault había realizado este experimento para mostrar que la velocidad de la luz en el agua era más lenta que en el aire, rechazando la idea de Isaac Newton de que la luz era ‘corpuscular’. Pero la teoría de las ondas, favorecida por Foucault y otros, no podía explicar la aberración de la luz estelar – las diminutas desviaciones de las estrellas con respecto a sus posiciones observadas, resultantes del movimiento de un observador en la Tierra en órbita y en rotación.

Esta inconsistencia fue, al parecer, resuelta por la sugerencia de Augustin-Jean Fresnel de que la luz viajaba a través de un medio fijo, pero intangible, el «éter luminiscente», una idea que ofrecía la tentadora oportunidad de medir la velocidad absoluta del movimiento de la Tierra a través del espacio.

Michelson, a quien se le dio permiso para estudiar en Alemania en 1880, decidió que este era el problema por atacar. Montó la primera versión de su famoso experimento en el Instituto de Física de Berlín: un rayo de luz se dividió en dos haces perpendiculares, cada uno viajando hacia dos espejos idénticos. Al reflejarse, los rayos que regresaban creaban franjas de interferencia. Al girar todo el aparato, Michelson esperaba ver las franjas en movimiento, ya que el «viento» causado por el movimiento de la Tierra a través del espacio lleno de éter alteraría las velocidades de los dos haces.

En la práctica, resultó enormemente difícil, cualquier vibración hacía que los bordes fueran casi imposibles de observar. Después de varios rediseños, trasladó su interferómetro al sótano del Instituto de Astrofísica de Potsdam, en las afueras de la ciudad, pero incluso aquí «el golpeo sobre el pavimento a unos 100 metros del observatorio» lo arruinaba todo. Sin embargo, trabajando de noche fue recogiendo gradualmente los datos. Y para su asombro, ni la orientación de su aparato, ni la época del año parecían marcar la diferencia. Los márgenes no se movieron.

Refinando el experimento

Después de mudarse a la Universidad de Clark, EE.UU., construyó un aparato mejorado en el laboratorio de Edward Morley. Para amortiguar las vibraciones, montó sus espejos en una masiva losa de arenisca, flotando y girando lentamente como un faro, en un baño de mercurio. Morley hizo la mayor parte de la construcción, ya que Michelson estaba enfermo. Pero cuando el equipo estuvo listo, Michelson estaba allí, insistiendo en que Morley fuera un socio completo.

Una vez más el resultado fue nulo, y Michelson se desesperó por la física, diciendo: «Nuestros futuros descubrimientos deben buscarse en el sexto lugar de los decimales». Pero el papel desencadenó ondas de choque en todo el mundo. En una reunión en París en 1900, Lord Kelvin parece haber acosado a Michelson lo suficiente como para que se estableciera un tercer experimento. Se demostró que cualquier diferencia de velocidad era menor a una parte entre diez mil: no había éter y la velocidad de la luz era invariable. En 1905, la relatividad especial de Albert Einstein arrasó con todo lo anterior, y Michelson fue galardonado con el premio Nobel de física en 1907.

Un fracaso que cimentó el futuro

Hoy en día, el legado de Michelson está en todas partes: descendientes en miniatura del interferómetro de Michelson se encuentran en nuestros espectrómetros de infrarrojos, las franjas de interferencia traicionan los secretos de los átomos excitados, y los interferómetros de tamaño continental escudriñan el universo.

Sin embargo, a pesar de todos los honores, Michelson siempre pensó que su experimento era una decepción. Después de todo, no se construye el experimento más elegante del mundo para no observar algo excitante.

Para más información Michelson’s interferometer

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