miniatura|300px|El éter luminífero: se desarrolló la hipótesis, hoy obsoleta, de que todo el espacio está ocupado por un «medio» invisible e intangible, el éter, en el que se propagan las ondas de luz y en el que se mueven los cuerpos celestes.
El éter luminífero o simplemente éter («luminífero» significa 'portador de luz') fue el medio postulado para la propagación de la luz.The 19th century science book A Guide to the Scientific Knowledge of Things Familiar provides a brief summary of scientific thinking in this field at the time. Se utilizó para explicar la capacidad de la luz aparentemente basada en las ondas para propagarse a través del espacio vacío, algo que las ondas no deberían poder hacer. La suposición de un plano espacial de éter luminífero, en lugar de un vacío espacial, proporcionó el medio teórico requerido por las teorías de onda de la luz.
La hipótesis del éter fue un tema de considerable debate a lo largo de su historia, ya que requería la existencia de un material invisible e infinito sin interacción con los objetos físicos. A medida que se exploraba la naturaleza de la luz, especialmente en el , las cualidades físicas requeridas de un éter se volvían cada vez más contradictorias. A fines del , se cuestionaba la existencia del éter, aunque no existía una teoría física que lo reemplazara.
El resultado negativo del experimento de Michelson-Morley (1887) sugirió que el éter no existía, un hallazgo que se confirmó en experimentos posteriores hasta la década de 1920. Esto llevó a un considerable trabajo teórico para explicar la propagación de la luz sin un éter. Un avance importante fue la teoría de la relatividad, que podría explicar por qué el experimento no pudo ver el éter, pero se interpretó de manera más amplia para sugerir que no era necesario. El experimento de Michelson-Morley, junto con el radiador de cuerpo negro y el efecto fotoeléctrico, fue un experimento clave en el desarrollo de la física moderna, que incluye tanto la relatividad como la teoría cuántica, la última de las cuales explica la naturaleza ondulatoria de la luz.
La historia de la luz y el éter
Partículas contra ondas
En el , Robert Boyle fue un partidario de una hipótesis del éter. Según Boyle, el éter consiste en partículas sutiles, una de las cuales explica la ausencia de vacío y las interacciones mecánicas entre los cuerpos, y la otra explica fenómenos como el magnetismo (y posiblemente la gravedad) que, de lo contrario, son inexplicables en la base de las interacciones puramente mecánicas de los cuerpos macroscópicos, «aunque en el éter de los antiguos no se notó nada más que una sustancia difusa y muy sutil; Los vapores se mueven en un curso determinado entre el polo norte y el sur».Robert Boyle, The Works of the Honourable Robert Boyle, ed. Thomas Birch, 2nd edn., 6 vols. (London, 1772), III, 316; quoted in E.A. Burtt, The Metaphysical Foundations of Modern Science (Gard w York: Doubleday & Company, 1954), 191-192.
Christiaan Huygens propuso la hipótesis de que la luz es una onda que se propaga a través de un éter. Él e Isaac Newton solo podían imaginar las ondas de luz como longitudinales, propagándose como el sonido y otras ondas mecánicas en los fluidos. Sin embargo, las ondas longitudinales necesariamente tienen solo una forma para una dirección de propagación dada, en lugar de dos polarizaciones como la onda transversal. Por lo tanto, las ondas longitudinales no pueden explicar la birrefringencia, en la que dos polarizaciones de la luz se refractan de manera diferente por un cristal. Además, Newton rechazó la luz como ondas en un medio porque dicho medio tendría que extenderse por todas partes en el espacio, y por lo tanto «perturbar y retardar los movimientos de esos grandes Cuerpos» (los planetas y cometas) y por lo tanto «ya que no sirve para nada y dificulta el funcionamiento de la Naturaleza, y la hace languidecer, por lo que no hay evidencia de su existencia, y por lo tanto debe ser rechazado».
Isaac Newton sostuvo que la luz está formada por numerosas partículas pequeñas. Esto puede explicar características tales como la capacidad de la luz para viajar en línea recta y reflejar las superficies. Newton imaginó que las partículas de luz eran «corpúsculos» no esféricos, con diferentes «lados» que dan lugar a la birrefringencia. Pero la teoría de las partículas de la luz no puede explicar satisfactoriamente la refracción y la difracción. Para explicar la refracción, Newton en Opticks (1704) postuló un «medio etéreo» transmitiendo vibraciones más rápido que la luz, por lo que la luz, cuando se sobrepasa, se pone en «Ajustes de fácil Reflexión y fácil Transmisión», lo que causó refracción y difracción. Newton creía que estas vibraciones estaban relacionadas con la radiación de calor:
En contraste con la comprensión moderna de que la radiación de calor y la luz son radiación electromagnética, Newton veía el calor y la luz como dos fenómenos diferentes. Él creía que las vibraciones de calor eran excitadas «cuando un Rayo de Luz cae sobre la Superficie de cualquier cuerpo pelúcido». Escribió:
Bradley sugiere partículas
En 1720, James Bradley llevó a cabo una serie de experimentos que intentaban medir el paralaje estelar tomando medidas de estrellas en diferentes épocas del año. A medida que la Tierra se mueve alrededor del sol, el ángulo aparente de un punto distante dado cambia. Al medir esos ángulos, la distancia a la estrella se puede calcular con base en la circunferencia orbital conocida de la Tierra alrededor del Sol. No detectó ningún paralaje, por lo que colocó un límite inferior en la distancia a las estrellas.
Durante estos experimentos, Bradley también descubrió un efecto relacionado; Las posiciones aparentes de las estrellas cambiaron a lo largo del año, pero no como se esperaba. En lugar de maximizar el ángulo aparente cuando la Tierra estaba en uno de los extremos de su órbita con respecto a la estrella, el ángulo se maximizó cuando la Tierra estaba en su velocidad lateral más rápida con respecto a la estrella. Este efecto ahora se conoce como aberración estelar.
Bradley explicó este efecto en el contexto de la teoría corpuscular de la luz de Newton, al mostrar que el ángulo de aberración se daba mediante la simple suma vectorial de la velocidad orbital de la Tierra y la velocidad de los corpúsculos de la luz, al igual que las gotas de lluvia que caen verticalmente chocan contra un objeto en movimiento en un ángulo. Conociendo la velocidad de la Tierra y el ángulo de aberración, esto le permitió estimar la velocidad de la luz.
Explicar la aberración estelar en el contexto de una teoría de la luz basada en el éter se consideró más problemático. Como la aberración se basaba en las velocidades relativas, y la velocidad medida dependía del movimiento de la Tierra, el éter tenía que permanecer estacionario con respecto a la estrella a medida que la Tierra se movía a través de ella. Esto significaba que la Tierra podía viajar a través del éter, un medio físico, sin efecto aparente, precisamente el problema que llevó a Newton a rechazar un modelo de onda en primer lugar.
La teoría de las ondas triunfa
Un siglo más tarde, Thomas Young y Augustin-Jean Fresnel revivieron la teoría de la onda sobre la luz cuando señalaron que la luz podría ser una onda transversal en lugar de una onda longitudinal, la polarización de una onda transversal (como los «lados» de la luz de Newton) podría explicar la birrefringencia, y después de una serie de experimentos sobre difracción, el modelo de partículas de Newton fue finalmente abandonado. Además, los físicos asumieron que, al igual que las ondas mecánicas, las ondas de luz requerían un medio para la propagación y, por lo tanto, requerían la idea de Huygens de un «gas» de éter que impregnaba todo el espacio.
Sin embargo, una onda transversal aparentemente requiere que el medio de propagación se comporte como un sólido, en oposición a un gas o fluido. La idea de un sólido que no interactuaba con otra materia parecía un poco extraña, y Augustin-Louis Cauchy sugirió que quizás había algún tipo de «arrastre», pero esto hacía que las mediciones de aberración fueran difíciles de entender. También sugirió que la ausencia de ondas longitudinales sugería que el éter tenía compresibilidad negativa. George Green señaló que tal fluido sería inestable. George Gabriel Stokes se convirtió en un defensor de la interpretación del arrastre, desarrollando un modelo en el que el éter podría ser rígido a frecuencias muy altas y fluido a velocidades más bajas (por analogía con la resina de pino). Así, la Tierra podría moverse a través de ella con bastante libertad, pero sería lo suficientemente rígida para soportar la luz.
Electromagnetismo
En 1856, Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch midió el valor numérico de la relación de la unidad de carga electromagnética a la unidad de carga electrostática. Encontraron que la relación es igual al producto de la velocidad de la luz y la raíz cuadrada de dos. Al año siguiente, Gustav Kirchhoff escribió un documento en el que mostraba que la velocidad de una señal a lo largo de un cable eléctrico era igual a la velocidad de la luz. Estos son los primeros vínculos históricos registrados entre la velocidad de la luz y los fenómenos electromagnéticos.
James Clerk Maxwell comenzó a trabajar en las líneas de fuerza de Michael Faraday. En su artículo de 1861 Sobre líneas físicas de fuerza, modeló estas líneas magnéticas de fuerza utilizando un mar de vórtices moleculares que consideraba en parte hecho de éter y en parte de materia ordinaria. Derivó expresiones para la constante dieléctrica y la permeabilidad magnética en términos de la elasticidad transversal y la densidad de este medio elástico. Luego comparó la relación de la constante dieléctrica con la permeabilidad magnética con una versión adecuadamente adaptada del resultado de Weber y Kohlrausch de 1856, y sustituyó este resultado en la ecuación de Newton por la velocidad del sonido. Al obtener un valor que estaba cerca de las medidas de la velocidad de la luz realizadas por Hippolyte Fizeau y por Léon Foucault, Maxwell concluyó que la luz consiste en ondulaciones del mismo medio que es la causa de los fenómenos eléctricos y magnéticos.Schaffner, Kenneth F. (1972), Nineteenth-century aether theories, Oxford: Pergamon Press, ISBN 978-0-08-015674-3Darrigol, Olivier (2000), Electrodynamics from Ampére to Einstein, Oxford: Clarendon Press, ISBN 978-0-19-850594-5
Sin embargo, Maxwell había expresado algunas incertidumbres acerca de la naturaleza precisa de sus vórtices moleculares, por lo que comenzó a embarcarse en un enfoque puramente dinámico del problema. Escribió otro artículo en 1864, titulado Una teoría dinámica del campo electromagnético, en el que los detalles del medio luminífero eran menos explícitos. Aunque Maxwell no mencionó explícitamente el mar de vórtices moleculares, su derivación de la ley de circulación de Ampère se trasladó del documento de 1861 y utilizó un enfoque dinámico que involucraba un movimiento de rotación dentro del campo electromagnético que comparó con la acción de los volantes. Usando este enfoque para justificar la ecuación de fuerza electromotriz (el precursor de la ecuación de fuerza de Lorentz), derivó una ecuación de onda de un conjunto de ocho ecuaciones que aparecían en el documento y que incluían la ecuación de fuerza electromotriz y la ley de circulación de Ampère. Maxwell, una vez más, utilizó los resultados experimentales de Weber y Kohlrausch para mostrar que esta ecuación de onda representa una onda electromagnética que se propaga a la velocidad de la luz, por lo que apoya la visión de que la luz es una forma de radiación electromagnética.