éter luminífero

En el siglo XVII, Robert Boyle fue un defensor de la hipótesis del éter. Según Boyle, el éter está compuesto de partículas sutiles, un tipo de las cuales explica la ausencia de vacío y las interacciones mecánicas entre los cuerpos, y el otro tipo explica fenómenos como el magnetismo (y posiblemente la gravedad) que, de otro modo, serían inexplicables basándose únicamente en las interacciones mecánicas de los cuerpos macroscópicos. «Aunque en el éter de los antiguos no se observaba más que una sustancia difusa y muy sutil, actualmente nos contentamos con admitir que siempre hay en el aire un enjambre de corrientes que se mueven en un curso determinado entre el polo norte y el polo sur». ^{[ 3 ]}

El Tratado sobre la Luz de Christiaan Huygens (1690) planteó la hipótesis de que la luz es una onda que se propaga a través de un éter. Tanto él como Isaac Newton solo concibieron las ondas de luz como longitudinales , propagándose como el sonido y otras ondas mecánicas en fluidos . Sin embargo, las ondas longitudinales necesariamente tienen una sola forma para una dirección de propagación dada, en lugar de dos polarizaciones como una onda transversal . Por lo tanto, las ondas longitudinales no pueden explicar la birrefringencia , en la que dos polarizaciones de luz se refractan de manera diferente en un cristal. Además, Newton rechazó la luz como ondas en un medio porque dicho medio tendría que extenderse por todo el espacio, y por lo tanto "perturbaría y retardaría los movimientos de esos grandes cuerpos" (los planetas y cometas) y, por lo tanto, "como [ el medio de la luz ] no tiene utilidad, obstaculiza el funcionamiento de la naturaleza y la hace languidecer, no hay evidencia de su existencia y, por consiguiente, debe ser rechazado". ^{[ 4 ]}

Isaac Newton sostenía que la luz está compuesta de numerosas partículas pequeñas. Esto puede explicar características como la capacidad de la luz para viajar en línea recta y reflejarse en las superficies. Newton imaginaba las partículas de luz como "corpúsculos" no esféricos, con diferentes "lados" que dan lugar a la birrefringencia. Pero la teoría corpuscular de la luz no puede explicar satisfactoriamente la refracción y la difracción . ^{[ 5 ]} Para explicar la refracción, el Tercer Libro de Óptica de Newton (1.ª ed. 1704, 4.ª ed. 1730) postuló un "medio etéreo" que transmite vibraciones más rápido que la luz, por lo que la luz, al ser alcanzada, entra en "ataques de fácil reflexión y fácil transmisión", lo que causaba refracción y difracción. Newton creía que estas vibraciones estaban relacionadas con la radiación de calor:

¿Acaso el calor de la habitación cálida no se transmite a través del vacío mediante las vibraciones de un medio mucho más sutil que el aire, el cual, una vez extraído el aire, permanece en el vacío? ¿Y no es este medio el mismo que aquel por el cual la luz se refracta y se refleja, y por cuyas vibraciones la luz comunica calor a los cuerpos, y se pone en condiciones de fácil reflexión y fácil transmisión? ^{[ A 1 ] : 349}

A diferencia de la comprensión moderna de que la radiación térmica y la luz son ambas radiación electromagnética , Newton consideraba el calor y la luz como dos fenómenos diferentes. Creía que las vibraciones térmicas se excitaban "cuando un rayo de luz cae sobre la superficie de cualquier cuerpo translúcido". ^{[ A 1 ] : 348} Escribió: "No sé qué es este éter", pero que si está compuesto de partículas, entonces deben ser

mucho más pequeñas que las del aire, o incluso que las de la luz: La extrema pequeñez de sus partículas puede contribuir a la gran fuerza con la que estas se repelen entre sí, haciendo así que ese medio sea mucho más raro y elástico que el aire, y por consiguiente mucho menos capaz de resistir el movimiento de proyectiles, y mucho más capaz de ejercer presión sobre cuerpos densos al intentar expandirse. ^{[ A 1 ] : 352}

En 1720, James Bradley realizó una serie de experimentos para intentar medir la paralaje estelar tomando mediciones de estrellas en diferentes épocas del año. A medida que la Tierra gira alrededor del Sol, el ángulo aparente hacia un punto distante cambia. Midiendo esos ángulos, se puede calcular la distancia a la estrella basándose en la circunferencia orbital conocida de la Tierra alrededor del Sol. No logró detectar ninguna paralaje, estableciendo así un límite inferior para la distancia a las estrellas. ^{[ 6 ]}

Durante estos experimentos, Bradley también descubrió un efecto relacionado: las posiciones aparentes de las estrellas sí cambiaron a lo largo del año, pero no como se esperaba. En lugar de que el ángulo aparente se maximizara cuando la Tierra se encontraba en cualquiera de los extremos de su órbita con respecto a la estrella, el ángulo se maximizaba cuando la Tierra alcanzaba su máxima velocidad lateral con respecto a la estrella. Este efecto se conoce ahora como aberración estelar . ^{[ 6 ]}

Bradley explicó este efecto en el contexto de la teoría corpuscular de la luz, demostrando que el ángulo de aberración se obtenía mediante la simple suma vectorial de la velocidad orbital de la Tierra y la velocidad de los corpúsculos de luz, del mismo modo que las gotas de lluvia que caen verticalmente impactan un objeto en movimiento en un ángulo determinado. Conociendo la velocidad de la Tierra y el ángulo de aberración, pudo estimar la velocidad de la luz. ^{[ B 1 ] : 94}

Un siglo después, Thomas Young ^{[ a ]} y Augustin-Jean Fresnel revivieron la teoría ondulatoria de la luz al señalar que la luz podía ser una onda transversal en lugar de una onda longitudinal; la polarización de una onda transversal (como los "lados" de la luz de Newton) podía explicar la birrefringencia, y a raíz de una serie de experimentos sobre difracción, el modelo de partículas de Newton fue finalmente abandonado. Los físicos asumieron, además, que, al igual que las ondas mecánicas, las ondas de luz requerían un medio para propagarse 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 requería que el medio de propagación se comportara como un sólido, en lugar de un fluido. La idea de un sólido que no interactuara con otra materia parecía un tanto extraña, y Augustin-Louis Cauchy sugirió que tal vez existía algún tipo de "arrastre" o "influencia", pero esto dificultaba la comprensión de las mediciones de aberración. También sugirió que la ausencia de ondas longitudinales indicaba que el éter tenía compresibilidad negativa. George Green señaló que tal fluido sería inestable. George Gabriel Stokes se convirtió en defensor de la interpretación de la influencia, desarrollando un modelo en el que el éter podría, como la resina de pino, ser dilatante (fluido a bajas velocidades y rígido a altas velocidades). De este modo, la Tierra podría moverse a través de él con relativa libertad, pero sería lo suficientemente rígido como para soportar la luz.

En 1856, Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch midieron el valor numérico de la relación entre la unidad de carga electrostática y la unidad de carga electromagnética . Descubrieron que esta relación es igual a la velocidad de la luz c . ^{[ 8 ]} Al año siguiente, Gustav Kirchhoff escribió un artículo en el que demostró que la velocidad de una señal a lo largo de un cable eléctrico era igual a la velocidad de la luz. ^{[ 9 ]} Estos son los primeros registros históricos que vinculan la velocidad de la luz con los fenómenos electromagnéticos.

James Clerk Maxwell comenzó a trabajar en las líneas de fuerza de Michael Faraday . En su artículo de 1861, Sobre las líneas de fuerza físicas, modeló estas líneas de fuerza magnéticas utilizando un mar de vórtices moleculares que consideró compuesto en parte de éter y en parte de materia ordinaria. Derivó expresiones para la constante dieléctrica y la permeabilidad magnética en función de la elasticidad transversal y la densidad de este medio elástico. Luego igualó la relación entre la constante dieléctrica y 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 para la velocidad del sonido. Al obtener un valor cercano a la velocidad de la luz medida por Hippolyte Fizeau , Maxwell concluyó que la luz consiste en ondulaciones del mismo medio que causa los fenómenos eléctricos y magnéticos. ^{[ B 1 ] [ B 2 ] [ B 3 ] [ B 4 ]}

Maxwell, sin embargo, había expresado algunas incertidumbres en torno a la naturaleza precisa de sus vórtices moleculares y por eso 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. ^{[ A 2 ]} Aunque Maxwell no mencionó explícitamente el mar de vórtices moleculares, su derivación de la ley circuital de Ampère se mantuvo del artículo de 1861 y utilizó un enfoque dinámico que involucraba el movimiento rotacional dentro del campo electromagnético que comparó con la acción de los volantes. Usando este enfoque para justificar la ecuación de la fuerza electromotriz (el precursor de la ecuación de la fuerza de Lorentz ), derivó una ecuación de onda a partir de un conjunto de ocho ecuaciones que aparecieron en el artículo y que incluían la ecuación de la fuerza electromotriz y la ley circuital de Ampère . ^{[ A 2 ]} Maxwell volvió a utilizar los resultados experimentales de Weber y Kohlrausch para demostrar que esta ecuación de onda representaba una onda electromagnética que se propaga a la velocidad de la luz, apoyando así la idea de que la luz es una forma de radiación electromagnética.

Entre 1887 y 1889, Heinrich Hertz demostró experimentalmente que las ondas electromagnéticas son idénticas a las ondas de luz. Esta unificación de las ondas electromagnéticas y la óptica indicaba que existía un único éter luminífero en lugar de muchos tipos diferentes de medios etéreos. ^{[ 10 ]}

La aparente necesidad de un medio de propagación para estas ondas hertzianas (posteriormente llamadas ondas de radio ) se evidencia en el hecho de que consisten en ondas eléctricas (E) y magnéticas (B o H) ortogonales. Las ondas E consisten en campos eléctricos dipolares ondulantes, y todos estos dipolos parecían requerir cargas eléctricas separadas y opuestas. La carga eléctrica es una propiedad inseparable de la materia , por lo que parecía necesario algún tipo de materia para proporcionar la corriente alterna que, aparentemente, debía existir en cualquier punto a lo largo de la trayectoria de propagación de la onda. La propagación de ondas en el vacío absoluto implicaría la existencia de campos eléctricos sin carga eléctrica asociada , o de carga eléctrica sin materia asociada. Si bien era compatible con las ecuaciones de Maxwell, la inducción electromagnética de campos eléctricos no podía demostrarse en el vacío, ya que todos los métodos de detección de campos eléctricos requerían materia con carga eléctrica.

Además, las ecuaciones de Maxwell exigían que todas las ondas electromagnéticas en el vacío se propagaran a una velocidad fija, c . Dado que esto solo puede ocurrir en un sistema de referencia en la física newtoniana (véase la relatividad galileana ), se hipotetizó que el éter era el sistema de referencia absoluto y único en el que se cumplían las ecuaciones de Maxwell. Es decir, el éter debía permanecer inmóvil universalmente; de ​​lo contrario, c variaría con cualquier variación que pudiera producirse en su medio de soporte. El propio Maxwell propuso varios modelos mecánicos del éter basados ​​en ruedas y engranajes, e incluso George Francis FitzGerald construyó un modelo funcional de uno de ellos. Estos modelos debían aceptar que las ondas electromagnéticas son transversales, pero nunca longitudinales.

Para este punto, las cualidades mecánicas del éter se habían vuelto cada vez más mágicas: tenía que ser un fluido para llenar el espacio, pero uno que fuera millones de veces más rígido que el acero para soportar las altas frecuencias de las ondas de luz. También tenía que ser sin masa y sin viscosidad , de lo contrario afectaría visiblemente las órbitas de los planetas. Además, parecía que tenía que ser completamente transparente, no dispersivo, incompresible y continuo a una escala muy pequeña. ^{[ 11 ]} Maxwell escribió en la Encyclopædia Britannica : ^{[ A 3 ]}

Los éteres se inventaron para que los planetas nadaran en ellos, para constituir atmósferas eléctricas y efluvios magnéticos, para transmitir sensaciones de una parte de nuestro cuerpo a otra, y así sucesivamente, hasta que todo el espacio se llenó tres o cuatro veces con éteres. ... El único éter que ha sobrevivido es el que inventó Huygens para explicar la propagación de la luz.

A principios del siglo XX, la teoría del éter se encontraba en aprietos. A finales del siglo XIX se habían llevado a cabo una serie de experimentos cada vez más complejos para intentar detectar el movimiento de la Tierra a través del éter, sin éxito. Diversas teorías propuestas sobre el arrastre del éter podían explicar el resultado nulo, pero eran más complejas y tendían a utilizar coeficientes y supuestos físicos aparentemente arbitrarios. Lorentz y FitzGerald ofrecieron, dentro del marco de la teoría del éter de Lorentz, una solución más elegante a cómo el movimiento de un éter absoluto podía ser indetectable (contracción de la longitud), pero si sus ecuaciones eran correctas, la nueva teoría especial de la relatividad (1905) podía generar las mismas matemáticas sin hacer referencia alguna al éter. El éter cayó ante la navaja de Occam . ^{[ B 1 ] [ B 2 ] [ B 3 ] [ B 4 ]}

Los dos modelos más importantes, que pretendían describir el movimiento relativo de la Tierra y el éter, fueron el modelo de Augustin-Jean Fresnel (1818) del éter (casi) estacionario, que incluía un arrastre parcial del éter determinado por el coeficiente de arrastre de Fresnel, ^{[ A 4 ]} y el modelo de George Gabriel Stokes (1844) ^{[ A 5 ]} del arrastre completo del éter. Esta última teoría no se consideró correcta, ya que no era compatible con la aberración de la luz , y las hipótesis auxiliares desarrolladas para explicar este problema no resultaron convincentes. Asimismo, experimentos posteriores, como el efecto Sagnac (1913), también demostraron que este modelo es insostenible. Sin embargo, el experimento más importante que respalda la teoría de Fresnel fue la confirmación experimental de Fizeau en 1851 de la predicción de Fresnel de 1818 de que un medio con índice de refracción n que se mueve con una velocidad v aumentaría la velocidad de la luz que viaja a través del medio en la misma dirección que v de c / n a: ^{[ E 1 ] [ E 2 ]}

${\displaystyle {\frac {c}{n}}+\left(1-{\frac {1}{n^{2}}}\right)v.}$

Es decir, el movimiento añade solo una fracción de la velocidad del medio a la luz (predicho por Fresnel para que la ley de Snell funcionara en todos los sistemas de referencia, en consonancia con la aberración estelar). Inicialmente, esto se interpretó como que el medio arrastraba el éter con una parte de su velocidad, pero esta interpretación se volvió muy problemática después de que Wilhelm Veltmann demostrara que el índice n en la fórmula de Fresnel dependía de la longitud de onda de la luz, por lo que el éter no podía moverse a una velocidad independiente de la longitud de onda. Esto implicaba que debía existir un éter distinto para cada una de las infinitas frecuencias.

La principal dificultad de la hipótesis del éter de Fresnel radicaba en la yuxtaposición de las dos teorías bien establecidas de la dinámica newtoniana y el electromagnetismo de Maxwell. Bajo una transformación galileana, las ecuaciones de la dinámica newtoniana son invariantes , mientras que las del electromagnetismo no lo son. Básicamente, esto significa que, si bien la física debería permanecer invariable en experimentos sin aceleración, la luz no seguiría las mismas reglas porque viaja en el "marco del éter" universal. Algún efecto causado por esta diferencia debería ser detectable.

Un ejemplo sencillo se refiere al modelo sobre el que se construyó originalmente el éter: el sonido. La velocidad de propagación de las ondas mecánicas, la velocidad del sonido , está definida por las propiedades mecánicas del medio. El sonido viaja 4,3 veces más rápido en el agua que en el aire. Esto explica por qué una persona que oye una explosión bajo el agua y emerge rápidamente puede volver a oírla cuando el sonido, que viaja más despacio, llega a través del aire. Del mismo modo, un pasajero en un avión puede seguir conversando con otro pasajero porque el sonido de las palabras viaja con el aire dentro de la aeronave. Este efecto es fundamental para toda la dinámica newtoniana, que establece que todo, desde el sonido hasta la trayectoria de una pelota de béisbol lanzada, debería permanecer igual en el avión en vuelo (al menos a velocidad constante) que si estuviera en tierra. Esta es la base de la transformación galileana y del concepto de marco de referencia.

Pero no se suponía que lo mismo fuera cierto para la luz, ya que las matemáticas de Maxwell exigían una única velocidad universal para la propagación de la luz, basada, no en condiciones locales, sino en dos propiedades medidas, la permitividad y la permeabilidad del espacio libre, que se asumían iguales en todo el universo. ^{[ 12 ]}

Así, en cualquier punto debería existir un sistema de coordenadas especial, "en reposo con respecto al éter". Maxwell observó a finales de la década de 1870 que detectar el movimiento con respecto a este éter debería ser bastante sencillo: la luz que viaja en la misma dirección que el movimiento de la Tierra tendría una velocidad diferente a la de la luz que viaja en sentido contrario, ya que ambas se moverían en contra del éter inmóvil. Incluso si el éter tuviera un flujo universal general, los cambios de posición durante el ciclo día/noche, o a lo largo de las estaciones, deberían permitir detectar la deriva.

experimentos de segundo orden

Si bien los experimentos de primer orden podían explicarse mediante un éter estacionario modificado, se esperaba que los experimentos de segundo orden, más precisos, arrojaran resultados positivos. Sin embargo, no se encontraron tales resultados.

El famoso experimento de Michelson-Morley comparó la luz de la fuente consigo misma después de ser enviada en diferentes direcciones y buscó cambios de fase de una manera que pudiera medirse con una precisión extremadamente alta. En este experimento, su objetivo era determinar la velocidad de la Tierra a través del éter. ^{[ E 19 ] [ E 20 ]} La publicación de su resultado en 1887, el resultado nulo , fue la primera demostración clara de que algo andaba muy mal con la hipótesis del éter (el primer experimento de Michelson en 1881 no fue del todo concluyente). En este caso, el experimento MM produjo un desplazamiento del patrón de franjas de aproximadamente 0,01 de una franja , correspondiente a una velocidad pequeña. Sin embargo, era incompatible con el efecto esperado del viento del éter debido a la velocidad de la Tierra (que varía estacionalmente), que habría requerido un desplazamiento de 0,4 de una franja, y el error era lo suficientemente pequeño como para que el valor pudiera haber sido cero. Por lo tanto, la hipótesis nula , la hipótesis de que no había viento del éter, no podía rechazarse. Experimentos más modernos han reducido desde entonces el valor posible a un número muy cercano a cero, alrededor de 10 ⁻¹⁷ .

Resulta obvio, a partir de lo expuesto anteriormente, que sería inútil intentar resolver la cuestión del movimiento del sistema solar mediante observaciones de fenómenos ópticos en la superficie de la Tierra.

— A. Michelson y E. Morley. «Sobre el movimiento relativo de la Tierra y el éter luminífero». Philosophical Magazine S. 5. Vol. 24. Núm. 151. Diciembre de 1887. ^{[ 13 ]}

Una serie de experimentos que utilizaron aparatos similares pero cada vez más sofisticados también arrojaron el mismo resultado nulo. Experimentos conceptualmente diferentes que también intentaron detectar el movimiento del éter fueron el experimento de Trouton-Noble  (1903), ^{[ E 21 ]} cuyo objetivo era detectar efectos de torsión causados ​​por campos electrostáticos, y los experimentos de Rayleigh y Brace (1902, 1904), ^{[ E 22 ] [ E 23 ]} para detectar la doble refracción en diversos medios. Sin embargo, todos ellos obtuvieron un resultado nulo, como lo había hecho previamente Michelson-Morley (MM).

Estos experimentos sobre el "viento etéreo" dieron lugar a una oleada de esfuerzos por "salvar" el éter atribuyéndole propiedades cada vez más complejas, y solo unos pocos científicos, como Emil Cohn o Alfred Bucherer , consideraron la posibilidad de abandonar la hipótesis del éter. De particular interés era la posibilidad del "arrastre etéreo" o "arrastre etéreo", que reduciría la magnitud de la medición, quizás lo suficiente como para explicar los resultados del experimento de Michelson-Morley. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, el arrastre etéreo ya presentaba sus propios problemas, en particular la aberración. Además, los experimentos de interferencia de Lodge (1893, 1897) y Ludwig Zehnder (1895), cuyo objetivo era demostrar si el éter era arrastrado por diversas masas giratorias, no mostraron arrastre etéreo. ^{[ E 24 ] [ E 25 ] [ E 26 ]} Se realizó una medición más precisa en el experimento de Hammar (1935), que llevó a cabo un experimento MM completo con una de las "patas" colocada entre dos bloques de plomo masivos. ^{[ E 27 ]} Si el éter fuera arrastrado por la masa, este experimento habría podido detectar el arrastre causado por el plomo, pero nuevamente se obtuvo el resultado nulo. La teoría fue modificada nuevamente, esta vez para sugerir que el arrastre solo funcionaba para masas muy grandes o aquellas masas con grandes campos magnéticos. Esto también fue demostrado como incorrecto por el experimento de Michelson-Gale-Pearson , que detectó el efecto Sagnac debido a la rotación de la Tierra (véase Hipótesis de arrastre del éter ).

Otro intento completamente distinto de salvar el éter "absoluto" se realizó en la hipótesis de contracción de Lorentz-FitzGerald , que postulaba que todo se veía afectado por el viaje a través del éter. En esta teoría, la razón por la que el experimento de Michelson-Morley "falló" fue que el aparato se contrajo en longitud en la dirección del viaje. Es decir, la luz se veía afectada de la manera "natural" por su viaje a través del éter, como se predijo, pero también lo hacía el propio aparato, cancelando cualquier diferencia al medirla. FitzGerald había deducido esta hipótesis de un artículo de Oliver Heaviside . Sin referencia a un éter, esta interpretación física de los efectos relativistas fue compartida por Kennedy y Thorndike en 1932, quienes concluyeron que el brazo del interferómetro se contrae y también la frecuencia de su fuente de luz varía "casi" de la manera requerida por la relatividad. ^{[ E 28 ] [ 14 ]}

De manera similar, el efecto Sagnac , observado por G. Sagnac en 1913, se consideró inmediatamente totalmente compatible con la relatividad especial. ^{[ E 29 ] [ E 30 ]} De hecho, el experimento de Michelson-Gale-Pearson en 1925 se propuso específicamente como una prueba para confirmar la teoría de la relatividad, aunque también se reconoció que tales pruebas, que simplemente miden la rotación absoluta, también son compatibles con teorías no relativistas. ^{[ 15 ]}

Durante la década de 1920, Dayton Miller repitió los experimentos iniciados por Michelson y proclamó públicamente resultados positivos en varias ocasiones, aunque estos no eran lo suficientemente significativos como para ser consistentes con ninguna teoría conocida del éter. Sin embargo, otros investigadores no lograron replicar los resultados de Miller. Con el paso de los años, la precisión experimental de dichas mediciones ha aumentado considerablemente, y no se ha detectado ninguna violación de la invariancia de Lorentz. (Un análisis posterior de los resultados de Miller concluyó que había subestimado las variaciones debidas a la temperatura).

Desde el experimento de Miller y sus resultados poco claros, se han realizado muchos más intentos experimentales para detectar el éter. Muchos experimentadores han afirmado haber obtenido resultados positivos. Estos resultados no han recibido mucha atención por parte de la comunidad científica convencional, ya que contradicen una gran cantidad de mediciones de alta precisión, cuyos resultados eran todos consistentes con la relatividad especial. ^{[ 16 ]}

La teoría del éter sufrió otro revés cuando la transformación galileana y la dinámica newtoniana fueron modificadas por la teoría especial de la relatividad de Albert Einstein , lo que dio a las matemáticas de la electrodinámica lorentziana un nuevo contexto "no etéreo". ^{[ A 18 ]} A diferencia de la mayoría de los grandes cambios en el pensamiento científico, la relatividad especial fue adoptada por la comunidad científica con notable rapidez, en consonancia con el comentario posterior de Einstein de que las leyes de la física descritas por la Teoría Especial estaban "listas para ser descubiertas" en 1905. ^{[ B 10 ]} La defensa temprana de la teoría especial por parte de Max Planck, junto con la elegante formulación que le dio Hermann Minkowski , contribuyó en gran medida a la rápida aceptación de la relatividad especial entre los científicos en activo.

Einstein basó su teoría en el trabajo previo de Lorentz. En lugar de sugerir que las propiedades mecánicas de los objetos cambiaban con su movimiento a velocidad constante a través de un éter indetectable, Einstein propuso deducir las características que toda teoría exitosa debe poseer para ser consistente con los principios más básicos y firmemente establecidos, independientemente de la existencia de un hipotético éter. Descubrió que la transformación de Lorentz debe trascender su conexión con las ecuaciones de Maxwell y debe representar las relaciones fundamentales entre las coordenadas espacio-temporales de los sistemas de referencia inerciales . De esta manera, demostró que las leyes de la física permanecían invariantes, como lo habían hecho con la transformación galileana, pero que la luz también era ahora invariante.

Con el desarrollo de la teoría especial de la relatividad, desapareció la necesidad de contar con un único sistema de referencia universal , y con ella, la aceptación de la teoría decimonónica del éter luminífero. Para Einstein, la transformación de Lorentz implicaba un cambio conceptual: que el concepto de posición en el espacio o el tiempo no era absoluto, sino que podía variar según la ubicación y la velocidad del observador.

Además, en otro artículo publicado el mismo mes de 1905, Einstein realizó varias observaciones sobre un problema entonces complejo: el efecto fotoeléctrico . En este trabajo demostró que la luz puede considerarse como partículas con una naturaleza ondulatoria. Obviamente, las partículas no necesitan un medio para propagarse, y por lo tanto, la luz tampoco. Este fue el primer paso que conduciría al desarrollo completo de la mecánica cuántica , en la que tanto la naturaleza ondulatoria como la corpuscular de la luz se consideran descripciones válidas de la misma. Un resumen del pensamiento de Einstein sobre la hipótesis del éter, la relatividad y los cuantos de luz se puede encontrar en su conferencia de 1909 (originalmente en alemán) «El desarrollo de nuestras ideas sobre la composición y esencia de la radiación». ^{[ A 19 ]}

Lorentz, por su parte, continuó utilizando la hipótesis del éter. En sus conferencias de alrededor de 1911, señaló que lo que «la teoría de la relatividad tiene que decir... puede llevarse a cabo independientemente de lo que se piense sobre el éter y el tiempo». Comentó que «exista o no un éter, ciertamente existen campos electromagnéticos, y también la energía de las oscilaciones eléctricas», de modo que, «si no nos gusta el nombre de "éter", debemos usar otra palabra como punto de referencia para todas estas cosas». Concluyó que «no se puede negar cierta sustancialidad al portador de estos conceptos». ^{[ 17 ] [ B 7 ]}

Sin embargo, en 1920, Einstein pronunció un discurso en la Universidad de Leiden en el que comentó: «Una reflexión más cuidadosa nos enseña, no obstante, que la teoría especial de la relatividad no nos obliga a negar el éter. Podemos asumir la existencia de un éter; solo que debemos renunciar a atribuirle un estado de movimiento definido, es decir, debemos, por abstracción, tomar de él la última característica mecánica que Lorentz aún le había dejado. Veremos más adelante que este punto de vista, cuya concebibilidad intentaré hacer más inteligible mediante una comparación algo vacilante, está justificado por los resultados de la teoría general de la relatividad». Concluyó su discurso diciendo que «según la teoría general de la relatividad, el espacio está dotado de cualidades físicas; en este sentido, por lo tanto, existe un éter. Según la teoría general de la relatividad, el espacio sin éter es impensable». ^{[ 18 ]}

En años posteriores, algunos individuos abogaron por un enfoque neolorentziano de la física, que es lorentziano en el sentido de postular un estado de reposo absoluto verdadero que es indetectable y que no juega ningún papel en las predicciones de la teoría. (Nunca se han detectado violaciones de la covarianza de Lorentz , a pesar de los esfuerzos denodados). Por lo tanto, estas teorías se asemejan a las teorías del éter del siglo XIX solo en el nombre. Por ejemplo, el fundador de la teoría cuántica de campos, Paul Dirac , afirmó en 1951 en un artículo en Nature, titulado "¿Existe un éter?" que "más bien nos vemos obligados a tener un éter". ^{[ 19 ] [ A 20 ]} Sin embargo, Dirac nunca formuló una teoría completa, por lo que sus especulaciones no fueron aceptadas por la comunidad científica.

Cuando Einstein aún era estudiante en el Politécnico de Zúrich en 1900, estaba muy interesado en la idea del éter. Su propuesta inicial de tesis de investigación consistía en realizar un experimento para medir la velocidad a la que la Tierra se desplazaba a través del éter. ^{[ 20 ]} "La velocidad de una onda es proporcional a la raíz cuadrada de las fuerzas elásticas que causan su propagación, e inversamente proporcional a la masa del éter desplazada por estas fuerzas." ^{[ 21 ]}

En 1916, después de que Einstein completara su trabajo fundamental sobre la relatividad general , Lorentz le escribió una carta en la que especulaba que dentro de la relatividad general se había reintroducido el éter. En su respuesta, Einstein escribió que en realidad se puede hablar de un "nuevo éter", pero no se puede hablar de movimiento en relación con ese éter. Einstein desarrolló esto más adelante en algunos artículos de divulgación (1918, 1920, 1924, 1930). ^{[ A 21 ] [ A 22 ] [ A 23 ] [ A 24 ] [ B 11 ] [ B 12 ] [ B 13 ]}

En 1918, Einstein aludió públicamente a esa nueva definición por primera vez. ^{[ A 21 ]} Luego, a principios de la década de 1920, en una conferencia que fue invitado a dar en la universidad de Lorentz en Leiden, Einstein buscó reconciliar la teoría de la relatividad con el éter lorentziano . En esta conferencia, Einstein enfatizó que la relatividad especial eliminaba la última propiedad mecánica del éter: la inmovilidad. Sin embargo, continuó diciendo que la relatividad especial no necesariamente excluye el éter, porque este último puede usarse para dar realidad física a la aceleración y la rotación. Este concepto fue desarrollado completamente dentro de la relatividad general , en la que las propiedades físicas (que están parcialmente determinadas por la materia) se atribuyen al espacio, pero no se puede atribuir ninguna sustancia o estado de movimiento a ese "éter" (con lo que se refería al espacio-tiempo curvo). ^{[ B 13 ] [ A 22 ] [ 22 ]}

En otro artículo de 1924, titulado «Sobre el éter», Einstein argumentó que el espacio absoluto de Newton, en el que la aceleración es absoluta, es el «éter de la mecánica». Y dentro de la teoría electromagnética de Maxwell y Lorentz se puede hablar del «éter de la electrodinámica», en el que el éter posee un estado de movimiento absoluto. En cuanto a la relatividad especial, también en esta teoría la aceleración es absoluta, como en la mecánica de Newton. Sin embargo, la diferencia con el éter electromagnético de Maxwell y Lorentz radica en que, «como ya no era posible hablar, en sentido absoluto, de estados simultáneos en diferentes ubicaciones del éter, este se volvió, por así decirlo, tetradimensional, puesto que no existía una forma objetiva de ordenar sus estados únicamente mediante el tiempo». Ahora bien, el «éter de la relatividad especial» sigue siendo «absoluto», porque la materia se ve afectada por las propiedades del éter, pero el éter no se ve afectado por la presencia de la materia. Esta asimetría se resolvió dentro de la relatividad general. Einstein explicó que el "éter de la relatividad general" no es absoluto, porque la materia está influenciada por el éter, del mismo modo que la materia influye en la estructura del éter. ^{[ A 23 ]}

La única similitud de este concepto relativista de éter con los modelos clásicos de éter radica en la presencia de propiedades físicas en el espacio, que pueden identificarse mediante geodésicas . Como argumentan historiadores como John Stachel , las ideas de Einstein sobre el "nuevo éter" no entran en conflicto con su abandono del éter en 1905. Como el propio Einstein señaló, no se puede atribuir ninguna "sustancia" ni ningún estado de movimiento a ese nuevo éter. El uso que hizo Einstein de la palabra "éter" encontró escaso apoyo en la comunidad científica y no influyó en el desarrollo continuo de la física moderna. ^{[ B 11 ] [ B 12 ] [ B 13 ]}