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EN EL EXPERIMENTO DE LUZ DE LA LEY DE ALICE
¿POR QUÉ CAMBIARÁ LA DIRECCIÓN DE LA LUZ?
Han Erim
3 de noviembre de 2010
INTRODUCCIÓN
La velocidad y el comportamiento de la luz que se dirige hacia un
blanco en movimiento nunca se han medido ni investigado en condiciones
de laboratorio hasta hoy. El experimento de luz de la Ley de Alice es
un experimento que nos ofrece esta posibilidad. El experimento consiste
en reflejar la luz entre dos espejos paralelos en rotación y hacerla
incidir sobre un blanco. Dependiendo de la velocidad de giro de los
espejos, cambia el punto donde llega la luz.
En este escrito les explicaré por qué la luz cambiará su dirección.
Más adelante he preparado también una gran sorpresa para
ustedes. Dejo en sus manos valorar hasta qué punto es importante este
tema.
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Para razonar de forma más sencilla, utilicemos el siguiente
dispositivo. Reflejamos la luz varias veces entre dos espejos
paralelos. La fuente de luz está montada en el sistema y podemos
desplazar todo el dispositivo hacia la derecha o hacia la izquierda.
Si analizamos la situación en el sistema de referencia del propio
dispositivo, vemos de inmediato lo siguiente: mover el dispositivo no
cambia en absoluto la trayectoria de la luz entre los espejos. Este es
un resultado natural, porque las leyes físicas no cambian en sistemas
que se mueven con movimiento rectilíneo uniforme.
Esta cantidad de información ya es suficiente para comprender por
qué la luz cambiará de dirección en el experimento de luz de la Ley de
Alice. Cuanto más podamos alargar el tiempo de permanencia de la luz
entre los espejos, más podremos desplazar el punto de llegada de la luz
hacia delante o hacia atrás. Por lo tanto, en el experimento de luz de
la Ley de Alice es evidente que la luz cambiará de dirección.
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Sin embargo, hay un detalle sobre el que debemos insistir. Aquí
surge la siguiente pregunta: ¿Cómo “sabe” la luz que los espejos se
están moviendo?
En efecto, si analizamos el evento en el sistema de referencia de
la Tierra, es evidente que la luz se comporta ligada al sistema de
referencia del dispositivo.
La Mecánica Clásica responde a esta pregunta de la
siguiente manera: En función de la velocidad de movimiento del
dispositivo, la luz transporta, además de su dirección normal de
propagación, un momento lineal adicional en la dirección del
movimiento del dispositivo. Como la fuente de luz está unida al
dispositivo, la luz adquiere este momento lineal y eso mantiene fija su
trayectoria entre los espejos.
No es especialmente importante que la fuente de luz esté o no
montada rígidamente en el dispositivo. En la primera reflexión en el
espejo, la luz adquirirá este momento lineal.
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Como vemos, discutir si en el experimento de luz de la Ley de Alice
la luz cambiará o no de dirección es inútil: la luz cambiará su
dirección.
Pero aquí no debemos perder de vista un punto importante: la
luz no transporta momento lineal.
A partir de ahora veremos lo interesante que se vuelve el asunto y
hasta qué punto se convierte en un tema importante.
¿Puede la luz transportar momento?
Consideremos dos cuerpos en el espacio, A y B, que se mueven uno
respecto del otro. Sobre B hay una fuente de luz (una linterna) cuya
orientación es perpendicular al eje X.
Supongamos ahora que estamos sobre el cuerpo A.
Pregunta: ¿Podemos decir cuál es la velocidad de A?
Respuesta: No. Solo podemos decir cuál es nuestra velocidad
respecto de B.
Pregunta: ¿Podemos considerar el sistema de referencia de A
como estacionario?
Respuesta: Sí. Ni siquiera sabemos si nos movemos. Podemos decir
que A está en reposo y B se mueve.
Pregunta: ¿Dónde debe encenderse la linterna para que la
luz llegue a A?
Esta pregunta tiene dos respuestas:
1) Si la luz transporta momento, la linterna debe
encenderse antes de que B llegue al punto X=0 en el sistema de
referencia de A, y la luz debe propagarse a lo largo del eje Y azul. (Esta es la interpretación de
la mecánica clásica.)
2) Si la luz no transporta momento, la linterna debe encenderse
exactamente en el punto X=0, y la luz debe propagarse a lo largo del
eje Y rojo de A. (Esta es la
postura de la Ley de Alice. En la física de Einstein no hay una
respuesta explícita a esta cuestión.)
Como vemos, tenemos dos opciones frente a nosotros. Lo extraño es que
hasta hoy no se haya determinado con claridad cuál de estas dos
posturas es correcta.
¿Cómo podemos medir si la luz transporta momento o no?
Responderemos a esta pregunta de nuevo con el mismo ejemplo de los
dos cuerpos. Ahora consideremos B como sistema de referencia y
supongamos que está en reposo. En ese caso A se mueve respecto de B.
Cambiar de sistema de referencia no cambia el fenómeno. Por lo
tanto, las dos posibilidades anteriores siguen siendo válidas:
1) Si la luz transporta momento, la linterna debe
encenderse antes de que A llegue al punto X=0, y la luz debe propagarse
a lo largo del eje Y azul de
B.
2) Si la luz no transporta momento, la linterna debe encenderse
en el punto X=0 y la luz debe propagarse a lo largo del eje Y rojo de A.
De este análisis podemos extraer la siguiente conclusión: en el
sistema de referencia de B, si la luz transporta momento, sigue una
trayectoria recta; si no lo transporta, cambia de dirección. (Figura
9)
Ahora podemos hablar de cómo detectar experimentalmente esta
diferencia.
¿Cómo podemos determinar experimentalmente si la luz transporta
momento?
Colocamos un disco giratorio en el centro de una base cuadrada. En
este experimento no se usan reflejos, así que no hacen falta espejos.
Nuestro objetivo es fotografiar la luz que incide sobre la base.
Apliquemos aquí la misma lógica: B es la fuente de luz, A es el
disco giratorio. (Figura 10)
Mientras el disco gira, se proyecta desde un punto muy lejano una
línea de luz muy fina que cubre toda la base, y se toma una fotografía.
Este es el Experimento de Luz de la Ley de Alice.
1) Si la luz transporta momento, en la fotografía la línea
de luz que incide sobre la base no se deformará. Las líneas tanto en la
base exterior como en el disco interior estarán alineadas y formarán
una única línea recta. (Figura 11)
2) Si la luz no transporta momento, la línea de luz sobre
el disco se desplazará en la dirección de giro. (Figura 12)
Conclusión y discusión
Aquí no he explicado la relación de este experimento con la Ley de
Alice, porque por ahora no es necesario. Más allá de debates del tipo
“la Ley de Alice dice esto, la física de Einstein dice aquello”, es
evidente que este experimento es tan fundamental que podría
reorganizar la teoría física general.
Quiero señalar aquí que este experimento dará un resultado a favor
de la Ley de Alice.
Y la última pregunta:
¿Quién realizará este experimento?
Han Erim
Para que puedan examinar los detalles con más precisión, he
preparado la siguiente animación. Pueden descargar el código fuente desde
aquí.
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