El Tamiz

Ignora lo accesorio, atesora lo esencial

Premios Nobel - Física 1907 (A. A. Michelson)

Tras saborear los Premios Nobel de Física y Química de 1906 (uno concedido a J. J. Thomson y otro a Henri Moissan), hoy continuamos con la serie pero, naturalmente, un año más tarde. Nos encontramos ya en 1907 y el receptor del Nobel de Física de ese año fue Albert Abraham Michelson –más conocido simplemente como A. A. Michelson–, en palabras de la Real Academia Sueca de las Ciencias,

Por sus instrumentos ópticos de precisión y las investigaciones espectroscópicas y metrológicas realizadas con ayuda de éstos.

Albert Michelson

Es muy probable que hayas oído hablar ya de A. A. Michelson en relación con la relatividad einsteiniana por el experimento de Michelson-Morley, y de él hablamos en ese contexto hace ya mucho tiempo en El Tamiz. Aunque sigue sin estar claro si Einstein conocía los resultados del experimento de Michelson y Morley cuando elaboró su teoría, hoy en día se considera el experimento de estos dos físicos como de una relevancia tremenda como uno de los “flecos” de la Física clásica que el buen Albert destruyó con sus postulados… pero, aunque el experimento se produjo en 1887, el Nobel que recibió Michelson en 1907 no se debió a ese experimento, sino a su trabajo general en interferometría. De hecho, como verás al final cuando leas el discurso de presentación del Premio, el experimento por el que casi todo el mundo conoce a Michelson no es siquiera mencionado –de hecho, muchos lo consideraban un fracaso– entre sus logros.

Pero, sin embargo, tan injusto era entonces no darle importancia a ese experimento como lo es ahora hablar sólo de él e ignorar el resto de logros de Michelson, tal vez no espectaculares desde el punto de vista teórico, pero sí como fundamento experimental para una enorme cantidad de descubrimientos posteriores. ¿Qué es más provechoso para la humanidad, un descubrimiento concreto y espectacular, o uno no tan impresionante pero que actúa de “semilla” para muchos otros? Mi objetivo hoy, por tanto, es tratar de poner de manifiesto la importancia del cuidado, el ingenio y la minuciosidad de Michelson como físico experimental y, de paso, disfrutar con el cambio filosófico en cuanto a la metrología se refiere que se venía dando por la época, y cómo Michelson contribuyó a llevar ese cambio a la práctica.

Albert Michelson nació en 1852 en Strzelno, en lo que entonces era Prusia y hoy es Polonia. Sus padres emigraron a los Estados Unidos cuando el pequeño Albert sólo tenía dos años, y allí fue donde creció y se educó. Estudió Física en general, y bastante óptica en particular, en la Academia Naval de la Marina estadounidense, y posteriormente recibió formación adicional en Europa. Desde bastante pronto se interesó especialmente por la medición de la velocidad de la luz –un asunto del que no vamos a hablar hoy, ya que no tiene que ver con el Nobel que recibió en 1907– y, para lograr ese y otros objetivos, por la interferometría, de la que sí hablaremos largo y tendido hoy: el Nobel lo recibió en parte por la construcción de los interferómetros más precisos, con mucha diferencia, de los que habían existido hasta entonces –que permitieron realizar multitud de nuevos descubrimientos a lo largo del siglo XX–, y en parte por el trabajo que él mismo consiguió realizar con esos interferómetros. Pero ¿qué demonios es un interferómetro?

Si llevas tiempo con nosotros, ya tienes una idea de lo que es, puesto que hablamos del asunto al describir el experimento mental del detector de bombas de Elitzur-Vaidman hace unos meses. Dicho mal y pronto, un interferómetro es un instrumento óptico que se aprovecha de las interferencias para medir o detectar cosas que, de otra manera, nos sería imposible ver. De modo que, para entender cómo funciona uno, hay que tener una cierta idea de lo que es una interferencia. ¡Ay, algún día llegará un bloque de óptica, pero por ahora lo explicamos de pasada! Puedes leer el artículo del detector de bombas y, luego, seguir con éste, ya que en ambos mencionamos el tema y si no lo entiendes bien con uno, espero que los dos juntos te aclaren las cosas.

Una onda es básicamente el viaje de algún tipo de perturbación por el espacio. Por ejemplo, si tú sujetas el extremo de una cuerda y un amigo el otro extremo, y le das un buen golpe de arriba a abajo a la cuerda, creas una “cresta” que viaja desde ti hacia tu amigo. Lo que se mueve de uno a otro no es, naturalmente, la cuerda, que al final termina en el mismo sitio que estaba al principio: lo que viaja es energía en forma de una perturbación sobre la cuerda, que se van pasando unas partículas de la cuerda a las otras. En otras palabras: la onda es el “empujón” que le has dado a la cuerda, viajando por ella (más estrictamente, has generado un pulso de onda, pero eso es lo de menos ahora mismo).

Pero ¿qué pasa si tú le das un golpe así a la cuerda, creando una onda que viaja desde ti hacia tu amigo, y él hace lo mismo hacia ti? Entonces, tu amigo recibe la onda que tú has generado, y tú recibes la que ha generado él. Pero, puesto que una y otra viajan en sentidos contrarios, hay algún momento en el que se cruzan. Y, en ese lugar y en ese instante, ambos pulsos ocupan el mismo punto y sus efectos sobre la cuerda se solapan: se ha producido una interferencia entre los dos pulsos de onda. Lo que sucede ahí puede tomar muchas formas dependiendo de la naturaleza de las dos ondas. Por ejemplo, si ambos le proporcionáis el mismo empujón a la cuerda, creando pulsos de onda idénticos, y lo hacéis exactamente a la vez, las dos crestas se encontrarán justo en el centro de la cuerda: una de ellas “empuja la cuerda hacia arriba”, y la otra hace exactamente lo mismo y a la vez, con lo que la cresta se hace “doble”; es lo que se denomina interferencia constructiva. Mejor que mis pobres palabras es verlo con tus propios ojos:

Naturalmente, una vez las dos ondas siguen su camino, cada una se comporta como antes. En el vídeo de arriba puede parecer que las dos ondas “se chocan” y vuelven por donde vinieron, pero no es así: tras el encuentro siguen su camino como si nada hubiera pasado, puesto que, al fin y al cabo, no ha habido ninguna interacción entre ellas, sino más bien una superposición de sus efectos sobre la cuerda. En cualquier caso, también podríais hacer lo mismo pero, en vez de dar ambos empujones hacia arriba, hacerlo uno hacia arriba y el otro hacia abajo. En ese caso, los efectos son justo contrarios y, al encontrarse ambas ondas, empujan la cuerda en sentidos contrarios y en ese punto no hay cresta; se ha producido una interferencia destructiva:

Es mucho más fácil visualizar estas interferencias en cuerdas, pero se producen en cualquier tipo de ondas: sonoras, luminosas, lo que sea. Naturalmente, lo que en el caso de la cuerda es la altura de la cresta está relacionada con otras cosas en diferentes tipos de ondas: en el sonido, con el volumen, en la luz, con la intensidad luminosa, etc., pero el fenómeno es básicamente el mismo. Y es un fenómeno muy interesante en sí mismo, pero Michelson lo empleó con un propósito específico, que tal vez no sea evidente así, de primeras: medir distancias con una precisión extraordinaria.

Para entender cómo es posible medir distancias empleando interferencias, imagina que hacemos algo parecido a los ejemplos de arriba con la cuerda, pero en vez de dar un simple empujón, generando una sola cresta, subes y bajas la cuerda de forma continua, formando una serie de crestas y valles que avanzan constantemente por la cuerda, es decir, una onda como Dios manda. Y tu amigo del otro extremo, por supuesto, hace lo mismo. Si lo hacéis como en el primer ejemplo, es decir, subiendo y bajando simultáneamente, y la cuerda tiene la longitud adecuada, pasa algo bastante intuitivo. Si nos fijamos en el centro de la cuerda (cosas parecidas pasan en otros lugares, pero observemos sólo el centro, que es más sencillo), allí veremos una “onda doble”, con gran altura, debido a la interferencia constructiva entre ambas ondas.

Si le ponemos un lacito rojo a ese punto de la cuerda, el lacito rojo subirá y bajará como un poseso, sometido a la superposición constructiva de ambas ondas. He dibujado en azul la onda que hace tu amigo y en amarillo la tuya, y pido disculpas por el patético dibujo del lacito. Debajo ves el resultado, con el lacito subiendo y bajando violentamente:

Interferom 1, constructiva

Ojo avizor al siguiente párrafo, porque aquí está la clave de la cuestión. Es esencial que lo entiendas y lo imagines antes de poder comprender los instrumentos ópticos de Michelson.

Imagina que dejamos todo como está: el lacito rojo no lo tocamos, y tu amigo y tú seguís haciendo exactamente lo mismo… pero alargamos un poco la cuerda por tu extremo. Según tu amigo y tú subís y bajáis la cuerda simultáneamente… el pobre lacito rojo ahora recibe la onda de tu amigo justo arriba cuando la tuya llega justo abajo (la suya en cresta, la tuya en valle):

Interferom 2, destructiva

El lacito sufre una interferencia destructiva. Y la razón es que ahora la onda de tu amigo y la tuya, aunque empezaron haciendo lo mismo, ya no recorren la misma distancia, sino que la tuya recorre un poco más: justo la distancia entre una cresta y un valle.

Hemos pasado de una interferencia constructiva a una destructiva alargando la cuerda un poco. Y, si volviéramos a alargar la cuerda la misma distancia otra vez –de valle a cresta–, entonces volveríamos a estar exactamente igual que al principio. El lacito, desde luego, no estaría en el centro de la cuerda, pero le llegaría una cresta de tu amigo junto con una cresta tuya, de modo que la interferencia sería una vez más constructiva y los efectos se sumarían. ¿Ves cómo podrías medir distancias así?

Imagina, por ejemplo, que las ondas que generáis tu amigo y tú tienen una distancia de 50 cm entre cresta y valle; por usar términos un poco más técnicos, entre cresta y cresta habría 1 metro, es decir, la longitud de onda de las ondas que generáis sería de 1 m. Por tanto, cada vez que tú te alejes de tu amigo 50 cm, el lacito rojo pasará de interferencia constructiva a destructiva y viceversa. Un cambio de 1 metro, naturalmente, deja las cosas como están. Si en el suelo ponemos una marca en un punto determinado y otra más alejada de tu amigo en otro sitio distinto, puedes medir la distancia entre ambos puntos alejándote lentamente de tu amigo y simplemente mirando lo que hace el lacito rojo.

El lacito, inicialmente, sube y baja como loco, con interferencia constructiva. Te alejas unos pasitos… y el lacito no se mueve: interferencia destructiva. Eso significa que te has alejado 50 cm. Sigues andando hacia atrás, soltando más y más cuerda tras de ti, y ves como el lacito se agita más y más hasta volver al máximo de oscilación, y luego se hace menos y menos violento hasta pararse, y así unas cuantas veces. Contando el número de veces que sucede el ciclo completo (constructiva-destructiva-constructiva) estás contando longitudes de onda. Y, puesto que la longitud de onda es de 1 metro, puedes así conocer la distancia entre las dos marcas del suelo. “Hay siete longitudes de onda”, podrías decir, lo cual es una manera un tanto extravagante de decir que hay siete metros en este caso, claro.

Y, antes de que protestes: sí, medir siete metros de este modo es una estupidez, puesto que basta con medir la distancia con la misma cuerda o con un metro y punto. La interferometría que empleaba Michelson no servía para medir el tamaño de habitaciones, ni las ondas que empleaba tenían una longitud de onda de un metro, ni mucho menos. Recuerda: las interferencias las pueden sufrir todas las ondas, y conocemos algunas muy, muy pequeñas. Por ejemplo, una luz monocromática determinada puede tener una longitud de onda de 500 nanómetros, es decir, 0,000 000 005 metros. Si midieras una distancia de siete longitudes de onda con ella, estarías midiendo una distancia de 0,000 000 035 metros, ¡toma castaña! ¿Podrías medir una distancia así con un metro?

Pues ahí está el genio de todo esto: en que las ondas son muy sensibles a cambios del tamaño de su longitud de onda, y los efectos de esos cambios se hacen muy evidentes incluso para seres de sentidos tan burdos como los nuestros. Basta tomar ondas de longitud minúscula y realizar pequeños cambios sobre ellas – las ondas, por decirlo mal y pronto, “amplifican” esos cambios y nos hacen conscientes de que se han producido, incluso aunque no seamos capaces de percibirlos directamente… y todo esto con una precisión numérica increíble.

Michelson construyó interferómetros que empleaban luz de una longitud de onda conocida y dividían el haz de luz en dos, que viajaban en direcciones diferentes y podían recorrer distancias distintas en su viaje. De este modo, observando la alternancia entre brillo máximo y mínimo en la interferencia entre ambos haces (interferencia constructiva y destructiva), podía medir distancias como múltiplos de la longitud de onda empleada, que era minúscula al tratarse de luz, claro. Aquí tienes el diagrama de uno de sus interferómetros realizado por el propio Michelson, con algunas líneas añadidas por mí para la explicación:

Interferómetro de Michelson

La luz entra en el interferómetro tras pasar por la rendija d, y llega a la superficie semiespejada e. Allí el haz de luz se divide: parte de él (más o menos la mitad, que he dibujado en rojo) atraviesa e, se refleja en el espejo g, vuelve a e y luego se refleja en él y alcanza el detector h. La otra mitad, que he dibujado en azul, se refleja en e, sube hasta f, se refleja allí y luego baja atravesando e y llegando al detector h.

Puede parecer complicado pero, si lo piensas, es básicamente la misma situación que la de tu amigo, la cuerda y tú. En aquel caso decíamos que tu amigo y tú batíais la cuerda exactamente a la vez, pero la clave del genio de Michelson era precisamente la precisión casi obsesiva: ¿cómo estar seguros de que es exactamente a la vez? ¡Haciendo que sea la misma fuente! Utilizamos el mismo haz de luz inicialmente y lo dividimos en dos –en el dibujo, rojo y azul–. Luego, el espejo f puede moverse hacia arriba o hacia abajo. Según lo movamos hacia arriba, el camino del haz de luz rojo seguirá siendo exactamente el mismo que al principio, pero el azul recorrerá más. De hecho, el azul recorrerá el doble de la distancia que movamos el espejo (pues tiene que ir y volver, recorriendo el exceso dos veces).

Además de la precisión extrema en la construcción del aparato, hace falta una fuente de luz adecuada, claro: en el ejemplo de la cuerda, tu amigo y tú hacíais ondas de una longitud determinada, y aquí hace falta lo mismo. Para lograrlo, en los interferómetros suele emplearse luz emitida con una longitud de onda concreta y conocida –por ejemplo, calentando algún elemento químico– o absorbiendo la mayor parte de las longitudes de onda excepto la que nos interesa antes de que la luz llegue al interferómetro.

Interferómetro moderno de Michelson

Interferómetro de Michelson moderno (Falcorian/CC 3.0 License).

Michelson no fue el descubridor del fenómeno de interferencia ni de la interferometría, pero sí fue capaz de desarrollar un interferómetro de una precisión y utilidad sin precedentes hasta entonces. Hoy en día suelen ser más útiles otros tipos de interferómetros, pero el suyo supuso, en sí mismo, un gran avance en el instrumental óptico disponible para los físicos. Este tipo de aparato es el que empleó, junto con Morley, en el famoso intento de determinar la velocidad de la Tierra a través del éter luminífero, e interferómetros conceptualmente idénticos se siguen empleando hoy en día, por ejemplo, para tratar de detectar ondas gravitacionales.

El caso es que, empleando sus aparatos ópticos de precisión –el interferómetro que hemos descrito aquí y otros conceptualmente similares–, entre otras cosas Michelson fue capaz de traer paz a las mentes de los físicos de todo el mundo, que tenían –y siguen teniendo en otro caso, como veremos luego– un grave problema.

Metro patrón

El Sistema Internacional de Unidades, por el que se definen las unidades de medida empleadas en ciencia, utilizaba como patrón de longitud para definir el metro una barra metálica guardada en París (a la derecha). “Un metro” era “la longitud de esta barra”. Pero claro, ¿y si la barra sufría alguna alteración al cabo de los años? ¿Y si en una guerra o por cualquier otra razón alguien la destruía o se perdía? ¿Era una buena idea dejar el objeto que definía una unidad en manos de un país determinado? Desde luego, había copias del metro prototipo, pero sólo tenían cierta precisión, y todas estaban sometidas a la autoridad última de El Metro.

De modo que Michelson empleó luz emitida por cadmio metálico incandescente para determinar cuántas longitudes de onda había en el “metro estándar”. Su resultado: 1 553 393,3 longitudes de onda. Al realizar esta medida en otros lugares y por otros investigadores, entre ellos científicos franceses que midieron “El Metro” con mayúsculas, el error era tan pequeño que era aceptable dentro de los límites de los aparatos de medida y la longitud de onda empleada. Si no miramos más allá, Michelson simplemente había confirmado que el metro patrón medía lo mismo que la copia de la que él disponía, y que la calidad de las réplicas empleadas por los científicos era muy grande.

Pero miremos más allá.

Michelson había encontrado un procedimiento universal por el cual en cualquier momento, cualquier científico que tomase cadmio metálico, lo calentase hasta brillar y luego emplease la interferometría y contase el número adecuado de alternancias entre luz y sombra podría crear un objeto de un metro con tal precisión que, si luego sustituyera El Metro por esta copia, ningún científico del mundo podría detectar la diferencia.

No había ya peligro de perder el metro estándar y, de hecho, era posible definir el metro a partir de conceptos universales, como la longitud de onda de emisión del cadmio metálico. Si lo piensas, tras Michelson la definición del metro tradicional suena patéticamente primitiva. No hay comparación posible en elegancia y coherencia entre “un metro es 1 553 393,3 veces la longitud de onda emitida por el cadmio metálico” y “un metro es esta barra guardada en este sótano de París”. De hecho, muchos –Michelson entre ellos– lucharon largo y tendido por cambiar la definición del metro en el Sistema Internacional aunque, como siempre, hubo quien se resistió a cambiar.

En la práctica, la interferometría se empleó para crear réplicas del patrón físico del metro desde relativamente pronto, pero lo creas o no, hubo que esperar hasta 1960 para abandonar esa barra guardada en un sótano. En ese año se adoptó una definición conceptualmente idéntica a la de Michelson: un número de longitudes de onda de una línea de emisión del kriptón. Posteriormente, en 1983, se cambió la definición a una basada en la velocidad de la luz en el vacío, pero el cambio filosófico –el abandono de un primitivo patrón material disponible sólo para algunos por una relación física universal– fue posible gracias al bueno de Albert Abraham Michelson. ¿Merece o no el Nobel, aunque no descubriese nada espectacular?

Por cierto, aunque parezca mentira, en 2010 seguimos todavía utilizando una de estas definiciones para una unidad del Sistema Internacional –afortunadamente, la última en mantenerse–: el kilogramo sigue siendo “la masa de este objeto guardado en el sótano”. Es ya tan evidente la limitación de esta definición –el kilogramo patrón ya no parece tener la misma masa que hace muchos años, para empezar– que inevitablemente, y tal vez pronto, utilicemos un sistema más á la Michelson y sustituyamos el kilogramo patrón por una definición basada en la constante de Planck… pero aún no lo hemos hecho. ¡Si Albert levantara la cabeza!

Pero la cosa no acaba aquí… Michelson también realizó aportaciones de las que crean un antes y un después a la espectroscopía. Años atrás, los físicos Hendrik Antoon Lorentz y Pieter Zeeman ya habían obtenido el Premio Nobel de Física de 1902 por el descubrimiento de lo que hoy llamamos efecto Zeeman, y que no voy a volver a explicar aquí porque ya lo hicimos en aquel artículo. Zeeman y Lorentz habían descubierto algo extraordinario –y que tenía consecuencias que ellos ni imaginaban, pero de eso hablaremos en su momento–, pero no habían podido ir más allá porque, desgraciadamente para ellos, no tenían a Michelson diseñando y fabricando sus instrumentos ópticos.

Aunque no voy a entrar en detalles, Michelson fabricó pequeñas redes de difracción con una precisión extraordinaria, empleando puntas de diamante y tornillos y engranajes para grabar líneas paralelas sobre láminas de vidrio con espacios de meras micras entre ellas. Además, se le ocurrió añadir pequeñas láminas de vidrio de tamaños distintos, en forma de escalera, de modo que la luz que incidiese sobre ellas en un punto u otro tuviera que recorrer distancias diferentes dentro del vidrio, con lo que al salir por el otro lado llegaría antes la parte del haz de luz que tuviera que recorrer menos vidrio, y más tarde la parte que tuviera que recorrer más vidrio:

Escalera

Utilizando este tipo de rejillas, Michelson era capaz de tomar líneas espectrales como las observadas por Zeeman y “hacer zoom”, separándolas más y más si ponía el suficiente número de laminillas escalonadas. Para que te hagas una idea, fíjate en la línea marcada “A” en la primera figura (hay otras líneas, pero fijémonos en A), tras el paso de la luz por distintos instrumentos diseñados por Michelson; primero se hace evidente que A está formada por dos líneas que antes no se veían, A1 y A2, y con mayor resolución se ve que tanto A1 como A2 son realmente dobles líneas:

Líneas espectrales

Al emplear los aparatos de Michelson era posible ver con una nitidez y profundidad nunca logradas la naturaleza de la luz emitida y absorbida por los átomos. Estaba a nuestro alcance, por tanto, la manera de conocer los secretos más íntimos de las transiciones electrónicas en ellos, el comportamiento de las cargas eléctricas subatómicas y, conociendo estas cosas, la naturaleza del átomo. Hacían falta años todavía para que este conocimiento floreciese y diera lugar, entre otras cosas, a la mecánica cuántica, pero Michelson tuvo una parte, aunque no sea la más brillante o conocida, en todo ello.

Porque Michelson no elaboró leyes, ni postuló hipótesis revolucionarias. Podríamos decir que otros, como Einstein, fueron nuestro cerebro, mientras que Michelson fue nuestros ojos. Antes de él éramos miopes, veíamos un mundo borroso y poco claro, y él refinó nuestra visión hasta conseguir que viéramos detalles que nunca hubiéramos podido adivinar sin él, y mediante esos detalles descubrimos cosas que no encajaban y que revelaban, irónicamente… un mundo más borroso de lo que nunca hubiéramos imaginado cuando no lo veíamos con nitidez; si no sabes de lo que hablo, hala, a leer.

Michelson y Einstein

_Fotografía tomada en 1931, poco antes de la muerte de Michelson. De izquierda a derecha, Milton Humason, Edwin Hubble, Charles St. John, Albert Michelson, Albert Einstein, W. W. Campbell y Walter S. Adams. _

A diferencia de otros años, en este caso no hubo una ceremonia pública en la que el Presidente de la Academia pronunciase un discurso elogiando al receptor del Nobel. La razón es que apenas dos días antes de la fecha planeada para la ceremonia, el Rey Óscar II de Suecia murió, con lo que los fastos se cancelaron y Michelson recibió su Nobel en una pequeña recepción privada. Sin embargo, sí disponemos de lo que hubiera sido el discurso del Presidente; como siempre, es una delicia anticuada que merece la pena leer con un poco de calma:

La Real Academia de las Ciencias ha decidio otorgar el Premio Nobel de Física de este año al profesor Albert A. Michelson de Chicago, por sus instrumentos ópticos de precisión y las investigaciones que ha realizado con ayuda de éstos en los campos de la metrología de precisión y la espectroscopía.

Con un ánimo incansable y, puede decirse verdaderamente, con brillantes resultados, se está realizando ahora mismo trabajo en todos los campos de investigación en las Ciencias Naturales, y se está adquiriendo información nueva de importancia gradualmente mayor cada día que pasa, con una profusión sin precedentes. Esto es especialmente cierto en el caso de aquellas Ciencias Exactas –la Astronomía y la Física– en cuyos campos estamos obteniendo ahora la solución a problemas la mera mención de los cuales, hasta hace muy poco, se consideraba tan irreal como la propia Utopía. La razón de este avance tan gratificante se encuentra en el desarrollo de los métodos y mecanismos de realizar observaciones y experimentos, y también en el aumento en la precisión proporcionada por estos avances en la medición cuantitativa de los fenómenos observados.

La Astronomía, la ciencia de precisión por excelencia, no sólo ha adquirido así ramas totalmente nuevas, pero también ha sufrido en sus partes más antiguas una transformación de significación mucho mayor que cualquier otra desde los tiempos de Galileo; respecto a la Física, se ha desarrollado notablemente como ciencia de precisión, de tal manera que podemos afirmar justificadamente que la mayor parte de los últimos grandes descubrimientos en Física se deben fundamentalmente al alto grado de precisión que puede obtenerse hoy en día al realizar medidas durante el estudio de los fenómenos físicos. Podemos juzgar el nivel que han alcanzado nuestros estándares a partir del hecho de que, por ejemplo, a comienzos del siglo pasado, una precisión de dos o tres centésimas de milímetro en la medición de una longitud se hubiera considerado fantástica. Hoy en día, sin embargo, la investigación científica no sólo exige sino que logra una precisión desde diez a cien veces mayor. Es obvio, por tanto, la importancia fundamental que debe reconocerse en cada paso en esta dirección, pues es la misma raíz, la condición esencial, de nuestra penetración más y más profunda en el interior de las leyes de la Física – nuestro único camino a nuevos descubrimientos.

Un avance de este tipo es al que la Academia desea dar reconocimiento con el Premio Nobel de Física de este año. Todo el mundo está familiarizado con la significación y el alcance de los usos del telescopio y el microscopio como instrumentos de medida en la Física de precisión; pero se ha alcanzado un límite en la eficacia de estos instrumentos, un límite que no puede excederse de forma apreciable, tanto por razones teóricas como prácticas. La brillante adaptación del profesor Michelson de las leyes de la interferencia luminosa, sin embargo, ha perfecionado un grupo de instrumentos de medida, los así llamados interferómetros, basados en dichas leyes, las cuales anteriormente sólo se habían empleado para usos ocacionales, hasta tal punto que ahora está en nuestra mano un aumento en la precisión de entre veinte y cien veces la que puede obtenerse con los mejores microscopios.

Esto se debe al hecho de que, debido a la naturaleza peculiar de los fenómenos de interferencia, el valor deseado –normalmente una medida de longitud– puede obtenerse como un múltiplo de longitudes de onda del tipo de luz empleada en el experimento, directamente mediante la observación en el interferómetro de los cambios en la imagen causados por la interferencia. Mediante este método puede obtenerse una precisión de hasta 1/50 de una longitud de onda –alrededor de 1/100000 de un milímetro–. Si recordamos ahora que las cantidades cuya medida se ha hecho posible por este aumento en la precisión –es decir, pequeñas distancias y ángulos– son precisamente aquellos que hace falta determinar más a menudo en las investigaciones de Física de precisión, se hace obvio entonces cuán poderosa ayuda se ha presentado al físico en la forma del interferómetro de Michelson – una ayuda inestimable, no sólo por su eficacia, sino también por la multiplicidad de sus usos.

Para ilustrar este último punto, basta mencionar avances como, por ejemplo, la medición del calor de expansión de los sólidos, la investigación sobre su comportamiento elástico bajo tensión y torsión, la determinación del margen de error de un tornillo micrométrico, la medición del grosor de láminas finas de sólidos o líquidos transparentes, la obtención de la constante gravitacional, la masa y la densidad medias de la Tierra, mediante el uso de balanzas ordinarias y de torsión. Entre los usos más recientes del interferómetro, mediante los cuales pueden medirse pequeñas desviaciones angulares con una precisión de una minúscula fracción de segundo de arco, puede mencionarse la construcción galvanométrica de Wadsworth, con la que pueden medirse corrientes eléctricas de intensidades prácticamente inapreciables con una precisión hasta ahora desconocida. Sin embargo, aunque estos usos del interferómetro son importantes e interesantes, son de importancia relativamente menor si se comparan con la investigación fundamental realizada por el propio profesor Michelson en los campos de la metrología y la espectroscopía con la ayuda de estos instruemntos y las cuales, a la vista de la tremenda influcencia a largo plazo sobre la Física de precisión en su conjunto, merece sin duda ser reconocida con un Premio Nobel.

La metrología se interesa con nada más y nada menos que encontrar un método de controlar la constancia del metro prototipo internacional, la base de todo el sistema métrico, con tal precisión que no sólo sea posible detectar cualquier cambio, independientemente de su magnitud, sino que también sea posible, si el prototipo se perdiera de algún modo, reproducirlo con tal exactitud que ningún microscopio pueda jamás encontrar diferencia alguna con el prototipo original. La significación de este hecho no necesita de mayor énfasis, pero no está de más un esbozo, aunque sea breve, del desarrollo de esta investigación y sus resultados.

Ya he hecho énfasis anteriormente en el hecho de que, con la ayuda del interferómetro, pueden realizarse medidas de pequeñas longitudes con un grado de precisión extraordinario, y que pueden expresarse utilizando la longitud de onda de un tipo de luz como unidad. Además, es posible medir de este modo longitudes de hasta 0,1 metros o más, en condiciones adecuadas, sin que sufra la precisión. De este modo, la investigación de Michelson ha preparado el camino para la medida de un valor de longitud estándar de 10 cm como múltiplo de la longitud de onda de una radiación particular en el espectro del cadmio. A partir del valor obtenido de este modo para el estándar de 10 cm, con un error probable de, como máximo, ± 0,00004 mm, Michelson fue capaz, también utilizando el interferómetro, obtener con esa base la longitud del metro estándar, diez veces mayor, y obtuvo para esta longitud un valor de 1 553 164,03 longitudes de onda de este tipo para un metro. El error probable de esta medida puede ser, en las condiciones menos favorables, de sólo ± 0,000 04 mm –es decir, menos de una longitud de onda–, un valor tan pequeño que no puede detectarse directamente con un microscopio.

Las medidas subsiguientes realizadas en la Oficina Internacional de Pesos y Medidas en París por diferentes observadores, siguiendo un método completamente distinto, mostró que el error era de hecho considerablemente menor. Estas medidas dan para la longitud del metro un valor de 1 553 164,13 longitudes de onda de este tipo – un resultado que difiere del de Michelson en tan sólo 0,1 longitudes de onda, o 0,000 06 mm. Es evidente por tanto que la medida de Michelson de la longitud del metro prototipo debe ser exacta al menos con un error de 0,000 1 mm y, además, que esta longitud puede verificarse por el uso de sus métodos, o en caso de pérdida del prototipo, reproducido éste, con el mismo grado de precisión en cada ocasión. Finalmente, también se obtiene de esto el hecho de que durante el intervalo de 15 años que ha existido entre ambos grupos de medidas, no se ha producido una variación mensurable en el prototipo. El gran cuidado con el que se ha preservado y cuidado el prototipo le ha proporcionado, al menos, la apariencia de un alto grado de constancia, pero nada más; sólo era posible obtener una prueba real de su constancia si se podía comparar el metro con una medida absoluta de longitud, independiente de cualquier elemento físico que lo defina, la constancia del cual parece, bajo determinadas conciones, garantizada más allá de cualquier sombra de duda. Hasta donde llega nuestro conocimiento actual, ése es el caso de la longitud de onda. Supone para Michelson un honor eterno el hecho de que su investigación clásica fue la primera en proporcionar dicha prueba.

A partir del valor obtenido de este modo para el metro como longitudes de onda de una radiación determinada, es posible ahora obtener, viceversa, valores para estas longitudes de onda en una escala de medida absoluta, con el grado correspondiente de precisión. Esta precisión es excepcionalmente alta, y es de hecho unas cincuenta veces mayor que cualquier cosa obtenida mediante los métodos absolutos en uso hasta ahora para determinar longitudes de onda. La convicción que había ido ganando peso durante mucho tiempo, de que el sistema de longitudes de onda de Rowland, en todo lo demás bastante preciso, y que se ha venido tilizando durante los últimos veinte años como la base exclusiva de toda investigación espectroscópica, tiene sin embargo errores considerables al estudiar los valores absolutos, ha recibido así una confirmación plena; se ha hecho así evidente que es necesaria una valoración cuidadosa de esos valores, utilizando el método de Michelson o cualquier otro método de interferencia similar.

Y así alcanzamos el campo de la espectroscopía, en el que es claro que el interferómetro de Michelson es capaz de ser utilizado de una forma no menos significativa que las que hemos considerado hasta el momento. Éste no es, sin embargo, su único uso. Considerando la claridad casi perfecta con la que aparecen la mayor parte de las líneas espectrales en los espectros de emisión producidos con los potentes espectrocopios de red de difracción de nuestros días, había una buena base para considerar que estas líneas espectrales eran únicas e indivisibles; sin embargo, ése no es el caso. Haciendo uso de su interferómetro, Michelson ha demostrado de hecho que son, por el contrario, en su mayor parte grupos más o menos complejos de líneas muy densamente agrupadas, para cuya resolución la potencia de los espectrómetros más poderosos era totalmente inadecuada. El descubrimiento de esta estructura interna de las líneas espectrales ha llevado a la investigación más cuidadosa con la que Michelson ha contribuido posteriormente, en la forma de la red de difracción inventada por él mismo, una forma de investigación aún más fina que el interferómetro, pertenece sin duda al grupo de los avances más importantes en la historia de la espectroscopía, más aún ya que la naturaleza y condición de la estructura molecular de los cuerpos luminosos está estrechamente relacionada con esta estructura de líneas espectrales. Nos encontramos aquí en el umbral de campos de investigación completamente nuevos, sobre cuyos abismos inexplorados los experimentos de Michelson nos han propoorcionado nuestra primera mirada, y sus experimentos pueden servir al mismo tiempo como guía para aquéllos capaces de llevar su trabajo al siguiente nivel.

Además de la estructura más o menos complicada que se encuentra en las líneas espectrales como consecuencia de la naturaleza interna de los cuerpos luminosos, también es posible dividirlas bajo la influencia de una fuerza magnética en grupos de varias componentes más o menos densamente agrupadas. Hace unos años esta Academia se encontró en la posición de reconocer con el Premio Nobel la primera investigación exhaustiva de este fenómeno, realizada por el profesor Zeeman, de una importantia extraordinaria para las Ciencias Físicas. Mediante el uso de un espectroscopio de gran potencia es posible estudiar este fenómeno en sus aspectos generales; como regla, sin embargo, los detalles son tan sutiles y tan difíciles de detectar que el poder de resolución de ese instrumento no es adecuado para una investigación completa. En este caso el interferómetro –o la red de difracción de Michelson– puede utilizarse con mayor eficacia, como el propio Michelson ha demostrado. No puede quedar resto de duda de que a través de este instrumento será posible facilitar de manera sustancial la investigación del Efecto Zeeman.

Sólo he podido dar aquí una breve descripción de los numerosos e importantes problemas cuya solución se nos ha acercado tanto gracias a la poderosa ayuda a la investigación, con su grado de precisión sin precedentes, que hemos recibido en la forma de los instrumentos ópticos de precisión de Michelson. Esta descripción estaría sin duda incompleta si no mencionásemos aquellos usos encontrados de esos instrumentos que se han encontrado ya, y seguro se seguirán encontrando, en el campo de la Astronomía, casi tan importantes como en el caso de la Física. Entre éstos cabe mencionar la serie de medidas de los diámetros de los satélites de Júpiter, que han sido realizadas en parte por el propio Michelson en el Observatorio de Lick, y en parte utilizando la interferometría por parte de Hamy en París – una serie dentro de la cual hay un acuerdo mucho mayor del que había sido posible alcanzar con observaciones micrométricas normales utilizando los telescopios de refracción más potentes del momento.

De manera similar, no puede haber ninguna duda de que será posible obtener valores considerablemente más precisos al medir el tamaño de los pequeños planetas entre Marte y Júpiter que los que se han obtenido utilizando el método fotométrico de observación, el único disponible hasta el momento, pero que es extremadamente impreciso. El método interferométrico puede ser también de importancia en el estudio de estrellas dobles y múltiples, y de este modo podremos dejar de considerar ese problema como insoluble, como también se ha considerado durante mucho tiempo insoluble el de determinar el diámetro real de al menos las estrellas más brillantes. La Astronomía ha recibido así de la Física, en el interferómetro –como antes con el espectroscopio–, una nueva ayuda a la investigación que parece particularmente adecuada para atacar problemas cuya resolución era hasta ahora imposible, ya que no había ningún instrumento adecuado para ello.

Lo anterior basta, no sólo para explicar a aquellos que no están involucrados estrechamente en estos problemas la naturaleza fundamental de la investigación de Michelson en uno de los campos más difíciles de la Física de precisión, sino también cuán plenamente justificada está la decisión de esta Academia al recompensarla con el Premio Nobel de Física.

Disponemos también de las palabras pronunciadas por el Presidente de la Academia en la pequeña ceremonia privada en la que pudo dirigirse directamente a Michelson:

Profesor Michelson, la Academia Sueca de las Ciencias le ha otorgado el Premio Nobel de Física de este año en reconocimiento a los métodos que ha descubierto para asegurar la exactitud en la medición, además de las investigaciones en espectrometría que ha realizado usted en conexión con aquéllos.

Su interferómetro ha hecho posible obtener un estándar no material de longitud, con un grado de precisión nunca antes alcanzado. Mediante él podemos ahora asegurar que el prototipo del metro ha permanecido inalterado en longitud, y restablecerlo con infailibilidad absoluta, si por alguna razón se perdiera.

Sus contribuciones a la espectrometría abarcan métodos para la determinación de longitudes de onda de un modo más exacto que ninguno conocido hasta el momento. Además, ha descubierto usted el hecho importantísimo de que las líneas del espectro que se consideraban hasta ahora perfectamente únicas, son en la mayor parte de los casos realmente grupos de líneas. Nos ha proporcionado además la manera de investigar cuidadosamente este fenómeno, tanto en su forma espontántea como en la producida por influencia magnética, como sucede en los interesantes experimentos de Zeeman.

La Astronomía también ha obtenido una gran ayuda, y seguirá obteniéndola en el futuro, en la forma de sus métodos de medición

Al otorgarle el Premio Nobel de Física, la Academia de las Ciencias desea señalar como merecedores de especial honor las investigaciones eminentemente exitosas que ha realizado usted. Los resultados que ha obtenido son excelentes en sí mismos, y son de tal naturaleza que abren el camino al futuro avance de la Ciencia.

Para saber más:

Física, Premios Nobel

15 comentarios

De: Juan Carlos Giler
2010-12-20 21:44:06

¿El kilogramo no se definió como el peso de un litro de agua a 3 grados centígrados y una atmosfera de presión?


De: Pedro
2010-12-20 23:24:32

Juan Carlos, ha habido varias definiciones de kilogramo a lo largo del tiempo (y sí, el origen es un litro de agua), pero actualmente la definición es "este cacho de metal en este sótano" :)


De: Rober
2010-12-21 00:43:31

¿Para qué sirve lo que parece un segundo semiespejo encima del que divide el haz de luz? No se me ocurre ninguna razón obvia.

Me encanta esta serie de los premios Nobel. Aunque siempre pienso antes de leer cada entrada que va a resultar aburrida, tal como lo planteas se hace agradable y didáctico.

Bueno, parte del mérito será de los premiados, claro, pero solo una pequeña parte ;-)


De: Carlos Licea
2010-12-21 08:37:17

Cómo adoro comprender cómo es que se descubrieron las cosas y no solamente hechos descubiertos casi, casi por intervención divina.
Por cierto, que lo del kilogramo ya lo tengo resuelto, sólo pesen 1 litro de agua destilada, a 1 atm de presión y a 20°C… ¿ala, donde paso por mi Nobel? Fuera de broma, supongo que el litro esta basado en el kilogramo y por eso nadie lo ha hecho así, o ¿cuál es la razón?.


De: J
2010-12-21 08:57:24

Carlos Licea:

un litro no deja de ser 1dm3, de modo que definir el litro es trivial a partir del metro. El problema es definir 1atm de presión y 20ºC de temperatura. Y a mal a mal, seguro que hasta definir "agua" no es trivial.

Al final, lo que se hace es definir un puñado de "unidades fundamentales" que son así por definición, y el resto se definen a partir de ellas. El sistema que usamos más a menudo se llama MKSA, porque considera unidades fundamentales al metro (M), kilogramo (K), segundo (S) y amperio (A) y el resto se deducen a partir de ellas. Creo que aunque se llama MKSA, las unidades fundamentales no son 4, sino alguna más, pero seguimos llamándolo así por tradición. Pero tampoco estoy seguro del todo, esto se me escapa.

Creo que el problema no es ni medio trivial. Por ejemplo, si como dice la relatividad, la masa aumenta con la velocidad (que a su vez es espacio dividido entre tiempo)... ¿quiere decir que la K depende de M y de S?

Pedro: ¿para cuando un artículo explicando todo esto?


De: lluisteixido
2010-12-21 11:50:20

XD

----No hay comparación posible en elegancia y coherencia entre “un metro es 1 553 393,3 veces la longitud de onda emitida por el cadmio metálico” y “un metro es esta barra guardada en este sótano de París”.----


De: Karlo
2010-12-21 14:30:47

Rober, no es un semiespejo, es un trozo de vidrio del mismo material que la pieza semirreflectante (sin la capa que la hace reflectante, claro) para que ambos rayos, el que está dibujado en rojo y el que está dibujado en azul recorran el mismo "camino óptico", es decir, que atraviesen "la misma cantidad de los mismos materiales, las mismas veces", para que así hayan tenido una "historia" lo más similar posible a la hora de hacer la interferencia.


De: Patriot
2010-12-21 16:06:35

Salud! excelentísima entrada, me la he acabado de un bocado! tendré que repasarla.

cada vez que leo estos premios nobel, me imagino el mundo de la ciencia a principios de siglo, todos esos señores en esa foto, y solo son unos pocos, todos andaban muy ocupados leyendo, investigando, postulando, publicando... se reunían, charlaban, discutían... llegaban a conclusiones importantísimas! un mundo con la ciencia "a toda máquina" ... y luego veo mis tiempos y me queda un sin sabor, que está pasando? es mi culpa? puedo hacer algo? que puedo hacer?

de paso recuerdo una definición del metro que me dieron hace 20 años en la escuela (Sí, todavía la recuerdo) era algo así como: "un metro es la diez millonésima parte del cuadrante terrestre" alguien la escuchó alguna vez?


De: Alburton
2010-12-21 16:33:10

Nunca dejará de sorprenderme que el amperio esté considerado una unidad fundamental y no el culombio =)


De: keme
2010-12-21 20:54:30

@Patriot: Es la diez millonésima parte del cuadrante del meridiano terrestre. El meridiano terrestre son 40.000 kilómetros, con lo que el cuadrante (osea la cuarta parte) son 10.000 kilómetros, que dividido entre 10 millones da exactamente.... un metro. Y creo que esta es la base sobre la que se construyó el metro-patrón ("esa barra guardada en ese sótano").

Desgraciadamente medidas posteriores más precisas demostraron que el cuadrante del meridiano terrestre era un pelin más largo que diez millones de veces la longitud del metro-patrón, con lo que o se construia otro o se abandonaba esa definición, y optaron por la solución barata, conservar la barra en el sótano (que por cierto, creo que no se ha mencionado todavía, está hecha con una aleación de platino-iridio para que las condiciones ambientales la afecten lo menos posible y guardada bajo condiciones de temperatura, presión y humedad controladas) y abandonar la definición ;)


De: Juan Carlos Giler
2010-12-22 16:13:48

O sea, un sótano confortable :)


De: Angel
2010-12-23 15:16:20

Alburton: a mi también me sorprende. Supongo que el problema sea más una cuestión práctica que otra cosa (es mucho más sencillo medir intensidades de corriente que cargas). ¿Algun metrologo en la sala que nos lo explique bien?


De: Argus
2011-01-10 17:31:20

Me uno a las felicitaciones a esta excelente entrada y a la serie entera, que sigo con fascinación.

Como siempre, me quedan más dudas que antes de leerla, cosa que me encanta:

¿Cómo es eso de definir el kilo basándose en la constante de Planck?

Por otra parte, si la cuerda es el medio en que se propaga la onda, ¿porqué dicha onda no desaparece para siempre en el punto de interferencia destructiva?

O sea, que hay un punto de la cuerda que no se mueve, pero transmite ambas ondas y en ambos sentidos... vaya vaya...

Si calculáramos a priori el punto de interferencia destructiva y lo fijáramos con un tornillo, ¿seguirían propagándose las ondas de un lado a otro? Si es que no... ¿Qué diferencia hay entre poner tornillo y no ponerlo, si ese punto igual no se mueve? Si es que sí, ¿Cómo se propaga la onda a través de un punto fijo?


De: Patriot
2011-01-10 23:41:01

eso keme, gracias. me acordaba de la definición, pero parece que no la recordé tan bien como crei XD, son años... pero si, justo era esa a como la mencionas.


De: Premios Nobel – Física 1915 (William Henry Bragg y William Lawrence Bragg) | El Tamiz
2013-09-04 17:00:16

[...] sensibles a esto. De hecho hemos explicado este proceso en más detalle al hablar del Nobel de Albert Michelson de 1907, ya que su famoso interferómetro utilizaba este efecto para medir distancias minúsculas, y si lo [...]


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