Ondas en el éter

Sean M. Carroll
Discovery Magazine
Traducción al español por Ciencia Kanija
14/12/08

Antes de Einstein, los físicos pensaba que las ondas de luz, como las ondas en el agua, eran ondulaciones en un medio: en lugar del océanos, propusieron la existencia del éter luminífero, alguna forma de sustancia que soportaba la propagación de las ondas electromagnéticas. Si la idea hubiese sido cierta, podría imaginarse que hubiese un único marco de referencia en el cual el éter está en reposo, mientras que se mueve en el resto de marcos; por consiguiente, la velocidad de la luz dependería del movimiento a través de ese éter. Esta idea fue básicamente descartada por el experimento de Michelson-Morley, el cual demostró que la velocidad de la luz no se veía afectada por el movimiento de la Tierra alrededor del Sol.

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La idea fue finalmente sustituida por la relatividad especial, aunque (con ideas de lo más interesante) algunos partidarios la aceptaron sólo a regañadientes. Es más, de haber preguntado al propio Hendrik Antoon Lorentz sobre el significado de las famosas transformaciones de Lorentz que inventó, no habría dicho “relacionan las cantidades físicas medidas en distintos marcos inerciales”; habría dicho “relacionan cantidades tal y como las medimos en algunos marcos de referencia en movimiento con respecto a sus verdaderos valores en el marco de reposo del éter”.

Ahora conocemos mucho sobre la teoría de campos así como sobre la relatividad, por lo que no necesitamos invocar un concepto de éter para explicar la propagación de la luz, y la idea es que no existe un marco especial preferido sobre de reposo que haya sido experimentalmente probado con precisión exquisita. Pero la precisión, incluso cuando es exquisita, nunca es absoluta, y los descubrimientos importantes a menudo merodean en los márgenes. Por lo que es interesante contemplar la posibilidad de que realmente exista algún tipo de campo en el universo que defina un estándar absoluto de reposo, dentro del contexto moderno de las teorías de campo de baja energía efectiva. En lugar de un medio portador de luz, estamos interesados en la posibilidad de un campo vectorial que viole Lorentz — algún vector de cuatro dimensiones que tenga una longitud fija distinta de cero y apunte en alguna dirección en cada evento del espacio tiempo. Pero el nombre “éter” es demasiado bueno para abandonarlo, por lo que lo hemos vuelto a proponer para su uso moderno.

Se ha realizado mucho trabajo en la exploración de las posibles consecuencias y restricciones experimentales de la idea de un campo de éter que impregne el universo. Pero las ideas aún son relativamente nuevas, y aún quedan cuestiones sobre si tales modelos están fundamentalmente bien definidos. Tim Dulaney, Moira Gresham, Heywood Tam y yo mismo hemos estado pensando sobre estos temas durante un tiempo, y acabamos de presentar dos artículos que muestran lo que hemos obtenido. Aquí está el primero: Inestabilidades en el éter.

Tal y como dice el título, aquí investigamos si las teorías del éter son estables. Es decir, cuando tienes un campo vectorial en el que crees que debería haber un estado “vacío”, con todos los vectores alineados y sin nada moviéndose alrededor, can ¿puede una pequeña perturbación llevar a algún tipo de crecimiento descontrolado, llevaría a una oscilación rítmica? Si obtienes un comportamiento desbocado, la teoría es inestable, lo que son malas noticias para pensar en una teoría como punto de inicio para pruebas experimentales. Esta es una de las primeras preguntas que debes hacer a cualquier teoría, y se ha investigado bastante en el caso del éter. Pero existe una sutileza: dado que has violado la invarianza de Lorentz, no es necesario comprobar la Una perturbación causada por una fuente de movimiento rápido en un cohete espacial es una perturbación legítima.) Lo que encontramos fue que todas las teorías de éter son inestables en algún marco u otro. Sólo hay tres excepciones, las cuales llamamos la teoría del “modelo sigma”, la teoría “Maxwell”, y la teoría “escalar”.

Podrías preguntarte, ¿de qué hablan estas “teorías”? ¿Por qué hay más de una teoría? Para un campo vectorial, resulta hacer un número distinto de cantidades que puedes definir (tres, para ser preciso) que podrían desempeñar el papel de la “energía cinética”. Por lo que estudiamos un espacio de teorías de parámetros tridimensionales, correspondientes a cualquier posible mezcla de esas tres cantidades. Las tres teorías que seleccionamos como estables son simplemente tres mezclas específicas de tres tipos de energía cinética. La teoría de Maxwell es muy similar al electromagnetismo común, aunque la teoría escalar recuerda más a un campo escalar que a uno vectorial.

La otra teoría es en realidad nuestra favorita, dado que tanto los casos Maxwell como escalar tienen patologías potenciales que no podemos solventar por completo (aunque la situación es un poco turbia). Por lo que escribimos otro artículo corto examinando el comportamiento empírico y las restricciones del modelo: Modelo Sigma éter.

Incluso esta teoría, tan interesante como es, está plagada de problemas. En el espíritu de la fenomenología de baja energía, básicamente fijamos la longitud del campo vectorial a mano. Pero nos dimos cuenta que en una descripción más completa, probablemente hay algo de energía potencial que se minimiza cuando el vector toma ese valor. Pero si permites variaciones de cualquier tipo en la longitud del vector, inmediatamente te ves enfrentado a una drástica inestabilidad una vez más.

Por lo que, para ser honesto, no existen teorías de éter que puedan garantizar que se comportan perfectamente, incluso como teorías efectivas de baja energía. (Todos los problemas identificados existen en energías arbitrariamente bajas, y no dependen del comportamiento a corta distancia de los modelos). Las tres teorías a las que hemos dado nombre son problemáticas pero no manifiestamente inestables, por lo que vale la pena una mayor investigación para ver si pueden solucionarse y hacerse respetables.