La teoría de la relatividad y los orígenes del positivismo lógico. Xavier García Raffi
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a finales del siglo XIX con su aceptación de velocidades inconmensurablemente superiores a las de la física clásica planteó el reto de extender el principio de relatividad a ese nuevo campo. Fueron precisamente los problemas que generará este intento el preludio de la teoría de la relatividad. La gran tarea de Einstein será extender el principio de relatividad a este nuevo campo y posteriormente generalizar el principio de relatividad a todos los sistemas posibles en física culminando así la tarea histórica de la ciencia de la búsqueda de invariantes universalmente válidos para todas las circunstancias y todo tipo de sistemas.
1. La hipótesis del éter
La admisión de la existencia del éter fue resultado del intento de extender la mecánica newtoniana al electromagnetismo. El electromagnetismo era el campo fundamental de investigación de los físicos en el siglo XIX. El concepto de campo electromagnético sirvió a la física a finales de ese siglo para completar una tarea de unificación con la que consiguió organizar a la electricidad, el magnetismo, la gravedad y la luz en un marco común, demostrando la unidad de unos fenómenos que inicialmente se habían pensado diferentes. La unión posterior del concepto de campo electromagnético al concepto de energía lo transformó en el concepto unificador por excelencia de la física. El electromagnetismo era, además, una vía de repercusiones tecnológicas de gran importancia al facilitar la creación de electricidad en forma masiva y barata, la energía sustituta del vapor en la nueva etapa de la industrialización.
La tarea de unificación conseguida con el concepto de campo electromagnético comenzó en 1820 cuando Hans Christian Oersted demostró la vinculación entre los fenómenos eléctricos y magnéticos al desviar una aguja imantada por el paso de una corriente eléctrica. Michael Faraday (1821) concluyó que la fuerza ejercida por la corriente sobre la aguja era de naturaleza circular, creando una serie de líneas de fuerza a la que denominó campo magnético. Fue el mismo Faraday quien descubrió (1831) la inducción electromagnética o producción de corriente eléctrica por la variación del campo magnético. Aparecía así constituido el campo electromagnético.
James Clerk Maxwell dio un nuevo paso durante los años 1880-1890 al conseguir justificar que la luz era un fenómeno electromagnético. Maxwell calculó que las ondas electromagnéticas irradiadas por el campo tenían la misma velocidad que la de la luz en el vacío. Por último, Heinrich Hertz (1887) señaló que las ondas electromagnéticas irradiadas por una corriente eléctrica oscilante tenían las mismas características que la luz (reflexión, refracción, interferencia, velocidad, polarización, etc.) aunque no la de visibilidad por estar muy por debajo de la frecuencia necesaria.4
Cuando se aplicó la mecánica newtoniana al electromagnetismo, resultaba más conveniente para los físicos suponer un medio material en el que las ondas electromagnéticas se propagasen que aceptar que, a diferencia de todas las ondas conocidas, su propagación no se realizase en medio alguno. Este fue el origen de la hipótesis del éter, hipótesis que adquirió una gran importancia cuando se comprobó que no era posible aplicar las transformaciones galileanas a los fenómenos electromagnéticos, es decir, que en el electromagnetismo no se mantenían las invariantes de la mecánica newtoniana. Se pensó conservar los postulados esenciales de la mecánica newtoniana mediante la transformando el éter en un sistema inercial privilegiado en reposo absoluto respecto del cual todos los sistemas se mueven. El éter pasaría a ser así el sustituto del espacio absoluto newtoniano, el único sistema donde la luz tiene velocidad c5 y, por tanto, el sistema de referencia respecto del que medir la velocidad absoluta de un sistema inercial.
Inicialmente, se mantuvo la existencia de distintos éteres encargados unos de la transmisión de la luz y otros de las ondas electromagnéticas. El éter lumínico había sido originariamente formulado por Newton, que le concedió unas propiedades mecánicas perfectas destinadas a justificar en su teoría corpuscular la reflexión y refracción de la luz.6 El éter lumínico explicaba con su extraordinaria elasticidad la fuerza gravitatoria. Sus propiedades eran incomparables: su capacidad de vibración hacía avanzar a la luz a su enorme velocidad gracias a la posesión de una fuerza elástica 490 millones de veces superior a la del aire, al mismo tiempo su resistencia a ser atravesado era nula al ser 700 mil veces menos denso que el aire. Todos los cuerpos se encuentran sumergidos en él, incluidos nuestros nervios que, por su mediación, reciben las sensaciones. La aparición de la teoría ondulatoria de la luz de Young y Fresnel (1800-1820) no modificó las características del éter lumínico.
Fue Maxwell quien unificó todos los éteres al demostrar la naturaleza electromagnética de la luz. El éter pasó a ser un único medio propagador de todos los fenómenos electromagnéticos. El éter se extiende por el universo entero, en él se encuentran sumergidos todos los cuerpos y sus propiedades mecánicas le hacen capaz de transmitir la luz a la velocidad c. La inmovilidad del éter parecía confirmarse por el hecho de la aberración de la luz estelar.7 Era, por tanto, lógico tratar de detectar el movimiento de la Tierra a través de él: el viento del éter tendría una velocidad respecto de la Tierra igual a la velocidad orbital de la Tierra alrededor del Sol. Este experimento confirmaría definitivamente su existencia material y consolidaría las características que se le otorgaban como sustrato del campo electromagnético. Era, de alguna forma, su localización.
El experimento destinado a completar la localización del éter fue el experimento de Michelson-Morley. Un resultado positivo del experimento significaría la culminación de la física clásica, una situación muy próxima a una explicación total de la Naturaleza a través del concepto central de campo electromagnético del que el éter era su base material. En un principio, se esperó obtener resultados de primer orden del movimiento de la Tierra, pero no fueron detectados. La utilización del interferómetro, descubierto por Michelson, permitía registrar efectos de segundo orden (una desviación de una parte entre cien millones) en la velocidad de la luz a favor y en contra del movimiento terrestre en el éter. Sin embargo, la velocidad de la Tierra no restaba ni sumaba nada a la velocidad de la luz. El experimento se repitió en 1881 y 1887 y el resultado fue nulo más allá de toda duda razonable,8 debido a la precisión incomparablemente superior a la de los experimentos mecánicos con que pueden realizarse los experimentos electromagnéticos.
2. La relatividad especial: las transformaciones de Lorentz
No fue, sin embargo, el resultado del experimento de Michelson-Morley lo que llevó a Einstein a la formulación de la relatividad especial en 1905, sino más bien una reflexión sobre la teoría electromagnética de Maxwell y la necesidad de que las leyes del electromagnetismo, y no sólo las de la mecánica, fuesen invariantes para todos los sistemas inerciales.9
La búsqueda de Einstein iba más allá de la justificación del experimento nulo de Michelson-Morley, era la búsqueda de un principio de relatividad más amplio que el de la física clásica. Este principio de relatividad se presenta como una generalización del existente en la mecánica newtoniana al exigir que todas las leyes de la física, y no sólo las de la mecánica, sean invariantes para los sistemas inerciales. Del principio se deduce, como consecuencia inmediata, la constancia de la velocidad de la luz en el vacío.10
Si supusiéramos un sistema inercial con velocidad c, un observador situado en él registraría la velocidad de la luz como cero, apareciendo ésta como un campo electromagnético oscilatorio en reposo, lo cual es contradictorio con las leyes de Maxwell. Si queremos mantener un principio de relatividad que englobe las leyes del electromagnetismo de Maxwell y Faraday, la luz no puede estar sometida a la suma