Diapasones para afinar la velocidad de la luz

Fronteras El diapasón Artículo 6 de 7

Michelson
Albert A. Michelson, premio Nobel en 1907, se reincorporó a la Armada de los Estados Unidos cuando el país decidió intervenir en la Primera Guerra Mundial. Aquí fotografiado en 1918 con uniforme de capitán de corbeta (lieutenant commander). Fuente: Wikimedia Commons

En 1879, Albert A. Michelson midió la velocidad de la luz con una precisión sin precedentes. Para entonces, había cumplido 26 años, trabajaba como instructor de la Marina de los Estados Unidos, tenía muy poca formación en física y ninguna experiencia en investigación, pero su trabajo resultó revolucionario. Aquel experimento mejoró la precisión de la constante c en un orden de magnitud y sentó unas nuevas bases para hacer mediciones de alta precisión. En los siguientes años, Michelson inventó el interferómetro que hoy lleva su nombre y realizó un primer experimento para confirmar (o desmentir, más bien) la existencia del éter. En 1907 fue el primer científico norteamericano en ganar el premio Nobel de Física.

Lo más sorprendente es que los orígenes de Michelson no habían sido precisamente “prometedores” para la carrera de un científico. Cuando tenía cuatro años, su familia huyó de Polonia a California. Su padre era vendedor ambulante y se instalaron en Murphy’s Camp, “una ciudad sin ley de la fiebre del oro —según palabras de Daniel Kleppner1— que resultaba óptima para que un niño aprendiera a pelear, pero no a leer y escribir”. Cuando Albert cumplió 14 años, lo enviaron a San Francisco para estudiar secundaria. Allí, su talento científico conmovió al director del centro, que le proporcionó alojamiento y comida, además de un trabajo como ayudante en las clases de física. Gracias a él, Michelson pudo terminar el instituto y alistarse en la Academia Naval de los EE. UU., la única manera de seguir estudiando ciencias a pesar de sus pocos recursos.

Tras graduarse como marine en 1873, Michelson fue destinado a Annapolis como profesor de física y química. Fue entonces cuando su comandante le pidió que investigara la medida de la velocidad de la luz de Léon Foucault, publicada en 1862, y ante semejante reto, Michelson se vino arriba. En apenas dos años consiguió incrementar la precisión de su predecesor por diez.

¿Pero en qué consistía el experimento de Foucault que Michelson tanto se esforzó en superar? ¿Cómo se mide algo que es, en esencia, instantáneo, lo más rápido que uno pueda imaginar? Pues bien, con un muy buen cronómetro. Pero no un cronómetro común, como los que usan los entrenadores en las pistas de atletismo, sino un cronómetro hecho de espejos.

Es posible que hayas oído hablar del experimento de Foucault con anterioridad: en su montaje, la luz viaja desde una rendija hasta un primer espejo que está en movimiento (R en la figura). Allí rebota y llega a un segundo espejo esférico que está quieto (M). Regresa por donde ha venido y se vuelve a encontrar con el espejo rotatorio (R) para, finalmente, volver a su punto de origen (S). O más bien, volvería al punto de origen si el espejo rotatorio se encontrase en la misma posición que estaba cuando el rayo de luz se lo topó por primera vez. Pero la gracia de todo este montaje es que, en el camino de ida y vuelta de la luz, el espejo rotatorio ha cambiado ligeramente de posición y por eso, el rayo genera una imagen desplazada respecto a la de la rendija inicial. Midiendo este desplazamiento (2θ, en la figura), podemos calcular cuánto ha girado el espejo mientras la luz hacía su recorrido de ida y vuelta (θ). Y conociendo la velocidad angular del espejo rotatorio, sabremos cuánto tiempo ha pasado. Es el cronómetro perfecto.

Todo este dispositivo experimental ya lo había ideado Foucault. Pero para perfeccionarlo y llevar su precisión hasta el extremo, Michelson lo repitió todo a lo grande. Para empezar, aumentó la distancia entre los espejos, hasta más de 600 metros. Pero además, necesitaba que la rotación del espejo fuese rapidísima (256 rotaciones por segundo) y, además, muy estable y muy precisa.

Una frecuencia rápida, estable y precisa, ¿os suena de algo? Dado el título de esta serie, supongo que a nadie le sorprenderá descubrir que Michelson utilizó diapasones para calibrar la velocidad de sus espejos. Partió de un sistema muy parecido, de hecho, al empleado por Lissajous para afinar el la universal. Michelson observaba los pulsos de luz de la rendija utilizando un pequeño espejo en la punta de un diapasón, que se mantenía en constante vibración gracias a una fuente electromagnética (igual que los diapasones parlantes de Helmholtz<). Sincronizó la frecuencia del espejo con el diapasón ajustando la velocidad del primero hasta que la imagen se hacía estacionaria. Este diapasón se calibraba, a su vez, comparando su frecuencia con la de otro diapasón estándar, que se guardaba en una cámara aislada a una temperatura controlada. Y la frecuencia de este segundo diapasón estándar se había medido con ayuda de un cronoscopio, que permitía visualizar sus vibraciones sobre un tambor rotatorio. El cronoscopio comparaba dicha vibración con el tiempo marcado por un cronómetro, que se había calibrado tomando como referencia el tiempo de rotación de la Tierra, que se había medido desde Observatorio Naval de los EE. UU., en función de los tránsitos de las estrellas… Que ya que te pones a calibrar, pues calibras el laboratorio entero, y acabas recurriendo al movimiento de la mismísima Tierra.

Está claro que el virtuosismo experimental de Michelson y su obsesión por el detalle no conocían límites. Sus notas están llenas de detalles que lo dejan a uno alucinado (podéis leer más en el artículo de Kleppner1). Gracias a ello, obtuvo un resultado sorprendentemente ajustado, teniendo en cuenta los recursos con los que contaba: c = 299 940 ± 50 km/s, lo que constituye un error de menos del 0,05% (1 entre 2000) respecto al valor que hoy damos por bueno, c = 299 792,458 km/s.

Su logro lo convirtió en toda una celebridad en EE. UU. Y, sin embargo, no le sirvió para ganar muchos galones dentro de su oficio como militar. En 1880, consiguió permiso para ausentarse de su cargo y viajar a Europa, donde por fin podría estudiar física y matemáticas de manera rigurosa. Una vez en el viejo continente, Michelson inventó el interferómetro por el que hoy le recordamos, buscó el éter sin ningún éxito y ayudó a desmentir su existencia (el experimento Michelson-Morley, es hoy todo un hito de la física). Según cuenta Kleppner, su obsesión por medir la velocidad de la luz de manera cada vez más precisa nunca lo abandonó. El día de su muerte, el 9 de mayo de 1931, lo pilló redactando unas notas sobre cómo realizar una nueva medida. Tenía 78 años de edad.

Referencia:

1Kleppner, D. (2007). Master Michelson’s measurement. Physics Today, 60(8), 8-9. DOI: 10.1063/1.2774115

Sobre la autora: Almudena M. Castro es pianista, licenciada en bellas artes, graduada en física y divulgadora científica

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