El interferómetro es uno de los inventos que más ha ayudado a la ciencia y al conocimiento humano. Se trata de un instrumento que se sirve de la interferencia de las ondas de luz para medir con exactitud longitudes de onda de la luz misma. En CurioSfera-Ciencia.com, te explicamos qué es un interferómetro, para qué sirve, cómo funciona y quién lo inventó.
Qué es un interferómetro
El interferómetro es un dispositivo óptico que utiliza la interferencia de las ondas de luz para poder medir con extraordinaria precisión las longitudes de onda de la propia luz. En la actualidad, existen diferentes tipos de interferómetros, pero todos ellos tienen una cosa en común: se emplean dos haces de luz que recorren dos trayectorias ópticas distintas, mediante un sistema de prismas o espejos que convergen para formar un patrón de interferencia.
Desde su invención, los campos de aplicación cada vez son más numerosos: astrofísica, ciencia de los materiales, agricultura, investigación militar, biotecnología, medicina y química clínica, cosméticos, industria del petróleo, ciencias de la tierra, de la atmósfera y mineralogía, industria farmacéutica, control medioambiental, bebidas y alimentos, ciencia forense, industria textil, ciencia de los polímeros, etc.
Principio de funcionamiento
Para entender cómo funciona el interferómetro hay que remontarse al descubrimiento de las interferencias luminosas por Thomas Young, en 1803. El físico inglés realiza un experimento decisivo para el futuro de la teoría ondulatoria de la luz.
Éste consiste en hacer pasar un haz de luz monocromática a través de dos rendijas perforadas en una pantalla, muy cercanas una de la otra. La luz, que cae sobre un telón, se desdobla. En vez de aparecer una sola mancha luminosa, como se esperaba Young, la mezcla de los dos haces produce una serie de rayas paralelas, unas brillantes y otras oscuras: las franjas de interferencia.
El francés Augustin Fresnel encuentra una explicación al extraño fenómeno de que la luz produzca oscuridad. Él postula que la luz es una onda que se propaga en un medio invisible, presente incluso en el vacío, el éter.
Cuando una onda luminosa monocromática atraviesa las rendijas del dispositivo desarrollado por Young, se desdobla por difracción en dos ondas esféricas coherentes. Las dos trayectorias recorridas desde las rendijas hasta el telón son desiguales: este fenómeno se denomina diferencia de marcha. Por lo tanto, las dos ondas están alternativamente en fase o bien desfasadas. En el primer caso, resulta una interferencia constructiva puesto que las ondas se suman produciendo una franja brillante.
En el segundo, resulta una interferencia destructiva dado que las ondas se anulan produciendo una franja oscura. Lo mismo ocurre con todos los fenómenos ondulatorios (ondas acústicas, ondas de radio, etc.), cuando provienen de una fuente coherente. El interferómetro utiliza estas interferencias para la medición.
Quién inventó el interferómetro
El interferómetro lo inventó el físico estadounidense Albert Abraham Michelson con el propósito de mostrar el movimiento relativo de la Tierra en el éter inmóvil, movimiento que debe crear un «viento de éter» observable.
Michelson intenta medir la diferencia entre c (velocidad de la luz en el éter) y c + vr (velocidad de la luz + velocidad de desplazamiento de la Tierra en el éter). La razón entre ambos valores es, teóricamente, de 1 a 100 millones. Sólo un aparato de extraordinaria sensibilidad puede detectarlo, y ese aparato, el interferómetro, es el que Michelson fabrica en 1881.
El mismo año, un primer experimento para observar el viento de éter se realiza en Potsdam, pero resulta infructuoso. El siguiente, que se realiza en 1887 en Cleveland, sigue siendo uno de los más famosos de toda la historia de la ciencia. El experimento lleva el nombre de experimento Michelson-Morley, ya que Michelson es asistido por otro físico estadounidense, Edward W. Morley.
Para su experiencia, Michelson desdobla la luz blanca, como en el experimento de Young, pero procurando que uno de los haces desdoblados sea orientado en la dirección del desplazamiento terrestre, mientras que el otro, que recorre rigurosamente la misma distancia, sea perpendicular a este desplazamiento.
Los dos haces, que pasan previamente por un juego de espejos para aumentar el efecto final, se reúnen por último en un punto de observación.
Medición de la longitud de onda de la luz
Normalmente, dado que se emplea inicialmente una luz coherente que recorre con exactitud la misma distancia, no debe producirse ningún fenómeno de interferencia. No obstante, puesto que se postula el desplazamiento de la Tierra en el éter inmóvil, la trayectoria de uno de los haces luminosos (el orientado en la dirección del desplazamiento terrestre) debe alargarse con respecto al otro.
Esta «diferencia de marcha”, que traduce la diferencia del tiempo de viaje relativo de los haces desdoblados, se detecta en el punto de observación gracias a un desplazamiento de las franjas de interferencia.
Sin embargo, nada de eso se produce, no se observa ningún desplazamiento de las franjas de interferencia. Este resultado negativo tiene importantes consecuencias teóricas, abandono de la teoría del éter, evidencia de la imposibilidad de detectar movimiento alguno en el laboratorio; hipótesis de la contracción del espacio-tiempo; demostración de que la velocidad de la luz es independiente del desplazamiento relativo de la fuente y del observador.
Todos estos descubrimientos desempeñan un papel importante en la elaboración de la teoría de la relatividad deducida por Einstein en 1905. En cuanto a Michelson, éste desarrolla y aplica a la investigación fundamental las técnicas interferométricas durante cuarenta años.
Gracias a este método, descubre la estructura fina e hiperfina del espectro de los átomos, de importancia clave en física cuántica y nuclear. Realiza las primeras aplicaciones astronómicas de la interferometría midiendo el tamaño de los satélites de Júpiter en 1891 y el diámetro angular de la estrella Betelgeuse en 1920, anticipando las investigaciones actuales.
Finalmente, determina el primer valor moderno del metro, que encuentra igual a la longitud de onda de una radiación emitida por el átomo de cadmio.
Albert Michelson
Albert Abraham Michelson nace en Polonia el 19 de dicimebre de 1852. Sus padres emigran a Estados Unidos en 1854. Termina sus estudios en la Annapolis Naval Academy en 1873 y es nombrado Instructor de física en 1875.
En 1878, decide perfeccionar las mediciones de la velocidad de la luz. Intenta su primera medición del desplazamiento relativo a la Tierra en el éter en 1880-1881, en el laboratorio del físico alemán Helmholtz, en Berlín.
En 1881, se Incorpora a la Universidad de Cleveland. A partir de 1885, trabaja con Edward Morley. En 1892-1893 utiliza las técnicas interferométricas para determinar la longitud del patrón metro de Sévres.
En 1893, es llamado a la Universidad de Chicago y, en adelante, se consagra a las mediciones interferométricas estelares y a la astrofísica en general. Es el primer premio Nobel estadounidense (física) en 1907. Muere en California el 9 de mayo de 1931.
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