Teoría de la emisión (relatividad)

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No debe confundirse con Teoría de la emisión (visión) la teoría de la emisión de la visión.
Esquema de estrellas binarias eclipsantes mostrando la curva de luz observada. El análisis de las características del comportamiento de la luz de este tipo de estrellas sirvió para cuestionar seriamente la teoría de la emisión

La teoría de la emisión, también llamada teoría del emisor o teoría balística de la luz, era una teoría competidora de la teoría de la relatividad especial, que explicaba los resultados del experimento de Michelson y Morley de 1887. Obedece al principio de relatividad al no considerar un sistema de referencia preferente para la transmisión de la luz, pero propone que la luz se emite a velocidad "c" respecto a su fuente de origen, en lugar de aplicar el postulado de invariancia. En consecuencia, combina el electromagnetismo y la mecánica con una teoría newtoniana simple. Aunque todavía hay defensores de esta teoría fuera de la corriente científica principal, la mayoría de los científicos consideran que está definitivamente desacreditada.[1]​[2]​

Historia[editar]

Artículo principal: Ecuación de Ritz

El nombre más frecuentemente asociado con la teoría de las emisiones es Isaac Newton. En su teoría corpuscular, visualizó "corpúsculos" de luz siendo expulsados desde cuerpos calientes a una velocidad nominal c con respecto al objeto emisor, y obedeciendo las leyes habituales de la mecánica newtoniana, y por lo tanto se espera que la luz se mueva hacia el observador con una velocidad que asuma la velocidad del emisor distante (c ± v).

En el siglo XX, Albert Einstein ideó la teoría de la relatividad especial para resolver el aparente conflicto entre el electromagnetismo y el principio de relatividad. La simplicidad geométrica de la teoría era muy convincente, y la mayoría de los científicos aceptaron la relatividad en 1911. Sin embargo, unos pocos científicos rechazaron el segundo postulado básico de la relatividad: la constancia de la velocidad de la luz en todo sistema de referencia inercial. Entonces se propusieron diferentes tipos de teorías de emisión, en las que la velocidad de la luz depende de la velocidad de la fuente, y se usa la transformación de Galileo en lugar de la transformación de Lorentz. Todas estas teorías pueden explicar el resultado negativo del experimento de Michelson y Morley, puesto que la velocidad de la luz es constante respecto al interferómetro en todos los sistemas de referencia. Algunas de esas teorías fueron:[1]​[3]​

  • La luz retiene en todo su recorrido la componente de velocidad que obtuvo de su fuente original en movimiento, y después de la reflexión, la luz se propaga en forma esférica alrededor de un centro que se mueve con la misma velocidad que la fuente original (teoría propuesta por Walther Ritz en 1908).[4]​ Este modelo se consideró la teoría de emisión más completa. En realidad, Ritz estaba modelando la electrodinámica de Maxwell y Lorentz, y en un artículo posterior,[5]​ afirmó que las partículas de emisión en su teoría deberían sufrir interacciones con las cargas en su trayectoria y, por lo tanto, las ondas (producidas por ellas) no conservarían indefinidamente su velocidad de emisión original.
  • La porción excitada de un espejo reflectante actúa como una nueva fuente de luz y la luz reflejada tiene la misma velocidad c con respecto al espejo que la luz original con respecto a su fuente (teoría propuesta por Richard Tolman en 1910, aunque era partidario de la relatividad especial).[6]​
  • La luz reflejada por un espejo adquiere una componente de velocidad igual a la velocidad de la imagen especular de la fuente original (teoría propuesta por Oscar M. Stewart en 1911).[7]​
  • J. G. Fox (1965) introdujo una modificación de la teoría de Ritz-Tolman. Sostuvo que se debe considerar el teorema de extinción (es decir, la regeneración de la luz dentro del medio atravesado). En el aire, la distancia de extinción sería de solo 0,2 cm, es decir, después de recorrer esta distancia la velocidad de la luz sería constante con respecto al medio, y no con respecto a la fuente de luz inicial (el propio Fox era, sin embargo, partidario de la relatividad especial).[1]​

Se supone que Albert Einstein trabajó en su propia teoría de emisiones antes de abandonarla en favor de su teoría de la relatividad especial. Muchos años después R.S. Shankland dijo que Einstein comentó que la teoría de Ritz había sido "muy mala" en algunos aspectos, y que él mismo finalmente la había descartado porque no podía pensar en ningún tipo de ecuaciones diferenciales que la describieran, ya que lleva a que las ondas de luz se conviertan "en una mezcolanza".[8]​[9]​[10]​

Refutaciones de la teoría de la emisión[editar]

De Sitter[11]​ introdujo el siguiente esquema para probar la teoría de la emisión:

donde c es la velocidad de la luz, v la de la fuente, c' la velocidad resultante de la luz y k una constante que denota el grado de dependencia de la fuente que puede alcanzar valores entre 0 y 1. Según la relatividad especial y el éter estacionario, k=0, mientras que las teorías de emisión permiten valores de hasta 1. Se han realizado numerosos experimentos terrestres, en distancias muy cortas, donde no hay "arrastre de luz" o los efectos de la extinción podrían entrar en juego, y nuevamente los resultados confirman que la velocidad de la luz es independiente de la velocidad de la fuente, descartando de manera concluyente la teoría de emisión.

Fuentes astronómicas[editar]

Artículo principal: Experimento de la estrella binaria de de Sitter
Argumento de Willem de Sitter contra la teoría de la emisión. Según la teoría de la emisión simple, la luz se mueve a una velocidad c con respecto al objeto emisor. Si esto fuera cierto, la luz emitida por una estrella en un sistema de estrellas dobles desde diferentes partes de su trayectoria orbital viajaría hacia nosotros a diferentes velocidades. Para ciertas combinaciones de velocidad orbital, distancia e inclinación, la luz rápida emitida durante la aproximación superaría a la luz lenta emitida durante una parte de recesión de la órbita de la estrella. Se verían muchos efectos extraños, incluyendo (a) como se ilustra, curvas de luz estelares variables con formas inusuales como nunca se han visto, (b) desplazamientos Doppler extremos hacia el rojo y el azul en fase con las curvas de luz, lo que implica órbitas altamente no keplerianas y (c) división de las líneas espectrales (obsérvese la llegada simultánea de la luz desplazada al azul y al rojo al objetivo).[12]​

En 1910 Daniel Frost Comstock y en 1913 Willem de Sitter escribieron que en el caso de una estrella binaria vista de perfil, se podría esperar que la luz de la estrella que se aproxima viajase más rápido que la luz de su compañera cuando se alejase, y la alcanzaría. Si la distancia fuera lo suficientemente grande como para que la señal "rápida" de una estrella que se acerca alcanzara y superara a la luz "lenta" que había emitido anteriormente cuando se alejaba, entonces la imagen del sistema estelar debería aparecer completamente confusa. De Sitter argumentó que ninguno de los sistemas estelares que había estudiado mostraba el comportamiento extremo del efecto óptico, y esto se consideró la sentencia de muerte para la teoría de Ritz y para las teorías de emisión en general, con .[11]​[13]​[14]​

Fox ha considerado en detalle el efecto de la extinción en el experimento de De Sitter, y podría decirse que socava la contundencia de la evidencia de la argumentación de De Sitter basada en estrellas binarias. Sin embargo, Brecher (1977) ha realizado observaciones similares más recientemente en el espectro de rayos X, que tienen una distancia de extinción lo suficientemente larga como para no afectar a los resultados. Las observaciones confirman que la velocidad de la luz es independiente de la velocidad de la fuente, siendo .[2]​

Hans Thirring argumentó en 1924 que un átomo que es acelerado durante el proceso de emisión por colisiones térmicas en el Sol, emite rayos de luz con diferentes velocidades en sus puntos inicial y final. Así, un extremo del rayo de luz superaría a las partes anteriores y, en consecuencia, la distancia entre los extremos se alargaría hasta 500 km hasta llegar a la Tierra, de modo que la mera existencia de líneas espectrales agudas en la radiación solar desmiente el modelo balístico.[15]​

Fuentes terrestres[editar]

Entre esos experimentos se incluye el de Sadeh (1963), que utilizó una técnica de tiempo de recorrido para medir las diferencias de velocidad de los fotones que viajaban en dirección opuesta y que se producían por aniquilación de positrones.[16]​ Otro experimento fue realizado por Alväger et al. (1963), quienes compararon el tiempo de recorrido de los rayos gamma de fuentes en movimiento y en reposo.[17]​ Ambos experimentos no encontraron diferencias, de acuerdo con la relatividad.

Filippas y Fox (1964)[18]​ no consideraron que Sadeh (1963) y Alväger (1963) hubieran controlado suficientemente los efectos de la extinción, y llevaron a cabo un experimento utilizando una configuración diseñada específicamente para dar cuenta de la extinción. Los datos recopilados de varias distancias entre el detector y el objetivo fueron consistentes con la ausencia de dependencia de la velocidad de la luz con respecto a la velocidad de la fuente, y fueron inconsistentes con el comportamiento modelado asumiendo c ± v tanto con extinción como sin ella.

Continuando con sus investigaciones previas, Alväger et al. (1964) observaron mesones π0 que se desintegran en fotones al 99,9% de la velocidad de la luz. El experimento demostró que los fotones no alcanzaron la velocidad de sus fuentes y aún así viajaron a la velocidad de la luz, con . La investigación de los medios atravesados por los fotones mostró que el cambio de extinción no fue suficiente para distorsionar significativamente el resultado.[19]​

También se han realizado mediciones de la velocidad del neutrino. Como fuentes se utilizaron mesones que viajaban casi a la velocidad de la luz. Dado que los neutrinos solo participan en el modelo electrodébil, la extinción no influye. Las mediciones terrestres proporcionaron límites superiores de .

Interferometría[editar]

El efecto Sagnac demuestra que un haz en una plataforma giratoria cubre menos distancia que el otro haz, lo que crea un cambio en el patrón de interferencia. Se ha demostrado que el experimento original de Georges Sagnac sufre efectos de extinción, pero desde entonces, también se ha demostrado que el efecto Sagnac se produce en el vacío, donde la extinción no juega ningún papel.[20]​[21]​

Las predicciones de la versión de Ritz de la teoría de la emisión eran consistentes con casi todas las pruebas interferométricas terrestres, excepto aquellas que involucran la propagación de la luz en medios en movimiento, y Ritz no consideró insuperables las dificultades presentadas por pruebas como el experimento de Fizeau. Tolman, sin embargo, señaló que un experimento de Michelson y Morley utilizando una fuente de luz extraterrestre podría proporcionar una prueba decisiva de la hipótesis de Ritz. En 1924, Rudolf Tomaschek realizó un ensayo de Michelson y Morley modificado, utilizando la luz de las estrellas, mientras que Dayton Miller utilizó la luz solar. Ambos experimentos fueron inconsistentes con la hipótesis de Ritz.[22]​

Babcock y Bergman (1964) colocaron placas de vidrio giratorias entre los espejos de un interferómetro de trayecto común instalado en un dispositivo de efecto Sagnac estático. Si las placas de vidrio se comportan como nuevas fuentes de luz de modo que la velocidad total de la luz que emerge de sus superficies es c+v, se esperaría un cambio en el patrón de interferencia. Sin embargo, no hubo tal efecto, lo que nuevamente confirma la relatividad especial y demuestra nuevamente la independencia de la fuente con respecto a la velocidad de la luz. Este experimento se realizó en el vacío, por lo que los efectos de extinción no deberían influir.[23]​

Albert Abraham Michelson (1913) y Quirino Majorana (1918/9) realizaron experimentos con interferómetros con fuentes en reposo y espejos en movimiento (y viceversa), y demostraron que no existe dependencia de la fuente en la velocidad de la luz en el aire. La disposición de Michelson fue diseñada para distinguir entre tres posibles interacciones de los espejos en movimiento con la luz: (1) "los corpúsculos de luz se reflejan como proyectiles desde una pared elástica", (2) "la superficie del espejo actúa como una nueva fuente", (3) "la velocidad de la luz es independiente de la velocidad de la fuente". Sus resultados fueron consistentes con la independencia de la fuente de la velocidad de la luz.[24]​ Majorana analizó la luz de fuentes en movimiento y espejos utilizando un interferómetro de Michelson de brazos desiguales, que era extremadamente sensible a los cambios de la longitud de onda. La teoría de la emisión afirma que el desplazamiento Doppler de la luz procedente de una fuente en movimiento representa un cambio de frecuencia sin cambio en la longitud de onda. En cambio, Majorana detectó cambios en la longitud de onda que no coincidían con la teoría de la emisión.[25]​[26]​

Beckmann y Mandics (1965)[27]​ repitieron los experimentos del espejo móvil de Michelson (1913) y Majorana (1918) en alto vacío, y encontraron que k era inferior a 0,09. Aunque el vacío empleado fue insuficiente para descartar definitivamente la extinción como la razón de sus resultados negativos, fue suficiente para hacerla altamente improbable. La luz del espejo en movimiento pasó a través de un interferómetro de Lloyd, parte del haz recorrió un camino directo hacia la película fotográfica y parte se reflejó en el espejo de Lloyd. El experimento comparó la velocidad de la luz que hipotéticamente viaja a c+v desde los espejos en movimiento, con la luz reflejada que hipotéticamente viaja a c desde el espejo de Lloyd.

Otras refutaciones[editar]

Las teorías de emisión utilizan la transformación de Galileo, según la cual las coordenadas de tiempo son invariantes al cambiar de sistema de referencia ("tiempo absoluto"). Así, el experimento de Ives y Stilwell, que confirma la dilatación del tiempo relativista, también refuta la teoría de la emisión de la luz. Como lo muestra Howard P. Robertson, se puede deducir la transformación de Lorentz completa cuando se considera el experimento de Ives y Stillwell junto con el experimento de Michelson y Morley y el experimento de Kennedy y Thorndike.[28]​

Además, la electrodinámica cuántica sitúa la propagación de la luz en un contexto completamente diferente, pero aún relativista, que es completamente incompatible con cualquier teoría que postule una velocidad de la luz que se vea afectada por la velocidad de la fuente.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. ↑ a b c Fox, J. G. (1965), «Evidence Against Emission Theories», American Journal of Physics 33 (1): 1-17, Bibcode:1965AmJPh..33....1F, doi:10.1119/1.1971219. .
  2. ↑ a b Brecher, K. (1977), «Is the speed of light independent of the velocity of the source», Physical Review Letters 39 (17): 1051-1054, Bibcode:1977PhRvL..39.1051B, doi:10.1103/PhysRevLett.39.1051. .
  3. ↑ Tolman, Richard Chace (1912), «Some Emission Theories of Light», Physical Review 35 (2): 136-143, Bibcode:1912PhRvI..35..136T, doi:10.1103/physrevseriesi.35.136 .
  4. ↑ Ritz, Walter (1908), «Recherches critiques sur l'Électrodynamique Générale», Annales de Chimie et de Physique 13: 145-275, Bibcode:1908AChPh..13..145R .. Véase también English translation (enlace roto disponible en este archivo)..
  5. ↑ Ritz,Walther (1908), «Recherches Critiques sur les Theories Electrodynamiques de Cl. Maxwell et de H.-A. Lorentz», Archives des sciences physiques et naturelles 36: 209, archivado desde el original el 11 de agosto de 2016, consultado el 4 de junio de 2013 .
  6. ↑ Tolman, Richard Chace (1910), «The Second Postulate of Relativity», Physical Review 31 (1): 26-40, Bibcode:1910PhRvI..31...26T, doi:10.1103/physrevseriesi.31.26 .
  7. ↑ Stewart, Oscar M. (1911), «The Second Postulate of Relativity and the Electromagnetic Emission Theory of Light», Physical Review 32 (4): 418-428, Bibcode:1911PhRvI..32..418S, doi:10.1103/physrevseriesi.32.418 .
  8. ↑ Shankland, R. S. (1963), «Conversations with Albert Einstein», American Journal of Physics 31 (1): 47-57, Bibcode:1963AmJPh..31...47S, doi:10.1119/1.1969236 .
  9. ↑ Norton, John D., John D. (2004), «Einstein's Investigations of Galilean Covariant Electrodynamics prior to 1905», Archive for History of Exact Sciences 59 (1): 45-105, Bibcode:2004AHES...59...45N, S2CID 17459755, doi:10.1007/s00407-004-0085-6 .
  10. ↑ Martínez, Alberto A. (2004), «Ritz, Einstein, and the Emission Hypothesis», Physics in Perspective 6 (1): 4-28, Bibcode:2004PhP.....6....4M, S2CID 123043585, doi:10.1007/s00016-003-0195-6 .
  11. ↑ a b De Sitter, Willem (1913), «On the constancy of the velocity of light», Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences 16 (1): 395-396 .
  12. ↑ Bergmann, Peter (1976). Introducción a la teoría de la relatividad. Dover Publications, Inc. pp. 19–20. ISBN 0-486-63282-2. «En algunos casos, deberíamos observar el mismo componente del sistema estelar doble simultáneamente en diferentes lugares, y estas 'estrellas fantasmas' desaparecerían y reaparecerían en el curso de sus movimientos periódicos.» 
  13. ↑ Comstock, Daniel Frost (1910), «A Neglected Type of Relativity», Physical Review 30 (2): 267, Bibcode:1910PhRvI..30..262., doi:10.1103/PhysRevSeriesI.30.262 .
  14. ↑ De Sitter, Willem (1913), «A proof of the constancy of the velocity of light», Proceedings of the Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences 15 (2): 1297-1298, Bibcode:1913KNAB...15.1297D .
  15. ↑ Thirring, Hans (1924), «Über die empirische Grundlage des Prinzips der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit», Zeitschrift für Physik 31 (1): 133-138, Bibcode:1925ZPhy...31..133T, S2CID 121928373, doi:10.1007/BF02980567. .
  16. ↑ Sadeh, D. (1963). «Experimental Evidence for the Constancy of the Velocity of Gamma Rays, Using Annihilation in Flight». Physical Review Letters 10 (7): 271-273. Bibcode:1963PhRvL..10..271S. doi:10.1103/PhysRevLett.10.271. 
  17. ↑ Alväger, T.; Nilsson, A.; Kjellman, J. (1963). «A Direct Terrestrial Test of the Second Postulate of Special Relativity». Nature 197 (4873): 1191. Bibcode:1963Natur.197.1191A. S2CID 4190242. doi:10.1038/1971191a0. 
  18. ↑ Filippas, T.A.; Fox, J.G. (1964). «Velocity of Gamma Rays from a Moving Source». Physical Review 135 (4B): B1071-1075. Bibcode:1964PhRv..135.1071F. doi:10.1103/PhysRev.135.B1071. 
  19. ↑ Alväger, T.; Farley, F. J. M.; Kjellman, J.; Wallin, L. (1964), «Test of the second postulate of special relativity in the GeV region», Physics Letters 12 (3): 260-262, Bibcode:1964PhL....12..260A, doi:10.1016/0031-9163(64)91095-9. .
  20. ↑ Sagnac, Georges (1913), «L'éther lumineux démontré par l'effet du vent relatif d'éther dans un interféromètre en rotation uniforme» [The demonstration of the luminiferous aether by an interferometer in uniform rotation], Comptes Rendus 157: 708-710 .
  21. ↑ Sagnac, Georges (1913), «Sur la preuve de la réalité de l'éther lumineux par l'expérience de l'interférographe tournant» [On the proof of the reality of the luminiferous aether by the experiment with a rotating interferometer], Comptes Rendus 157: 1410-1413 .
  22. ↑ Martínez, A.A. (2004). «Ritz, Einstein, and the Emission Hypothesis». Physics in Perspective 6 (1): 4-28. Bibcode:2004PhP.....6....4M. S2CID 123043585. doi:10.1007/s00016-003-0195-6. Archivado desde el original el 2 September 2012. Consultado el 24 de abril de 2012. 
  23. ↑ Babcock, G. C.; Bergman, T. G. (1964), «Determination of the Constancy of the Speed of Light», Journal of the Optical Society of America 54 (2): 147-150, Bibcode:1964JOSA...54..147B, doi:10.1364/JOSA.54.000147 .
  24. ↑ Michelson, A.A. (1913). «Effect of Reflection from a Moving Mirror on the Velocity of Light». Astrophysical Journal 37: 190-193. Bibcode:1913ApJ....37..190M. doi:10.1086/141987. 
  25. ↑ Majorana, Q. (1918). «On the Second Postulate of the Theory of Relativity: Experimental Demonstration of the Constancy of Velocity of the Light reflected from a Moving Mirror». Philosophical Magazine 35 (206): 163-174. doi:10.1080/14786440208635748. 
  26. ↑ Majorana, Q. (1919). «Experimental Demonstration of the Constancy of Velocity of the Light emitted by a Moving Source». Philosophical Magazine 37 (217): 145-150. doi:10.1080/14786440108635871. 
  27. ↑ Beckmann, P.; Mandics, P. (1965). «Test of the Constancy of the Velocity of Electromagnetic Radiation in High Vacuum». Journal of Research of the National Bureau of Standards Section D. 69D (4): 623-628. doi:10.6028/jres.069d.071. 
  28. ↑ Robertson, H. P. (1949). «Postulate versus Observation in the Special Theory of Relativity». Reviews of Modern Physics 21 (3): 378-382. Bibcode:1949RvMP...21..378R. doi:10.1103/RevModPhys.21.378. 

Lecturas relacionadas[editar]

Enlaces externos[editar]

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