¿Podemos notar cómo gira la Tierra?

Que nuestro planeta es esférico es un saber cuyo origen se pierde casi entre los orígenes de la Historia. Diferenciar entre si lo que giran son los cielos o somos nosotros es algo que costó bastantes siglos discernir. El problema es que parece «lógico» pensar que si girásemos, lo notaríamos. Y como no sentimos ningún movimiento… ¿verdad?

Christchurch (Nueva Zelanda), 1942. Se comienzan a escuchar una serie de explosiones en las afueras de la ciudad. Durante dos años se repitieron sin que nadie localizara su origen exacto. Los ciudadanos atribuyeron las detonaciones a pruebas de armamento del ejercito, que en plena segunda Guerra Mundial se preparaba ante un eventual ataque japonés.

Hasta décadas después no se descubrió la verdad: fueron voladuras durante la construcción de unas instalaciones militares subterráneas secretas. Habían construido una réplica de las instalaciones de emergencia que Winston Churcill preparó en Londres, desde las que se podía coordinar una respuesta de guerra alojando a docenas de personas durante prolongados períodos. Así fue como se construyeron las cavernas de Cracroft.

Planos originales de la base militar secreta cerca de Christchurch (Nueva Zelanda)

Tras la rendición japonesa, los militares abandonaron las instalaciones, casualmente coincidiendo con un incendio de origen incierto. Para los pocos que conocían su emplazamiento, las cuevas quedaron como un discreto escondite para parejas hasta que (¿en los 50-60?) la entrada fuera sellada por los propietarios de las tierras.

La entrada de las cavernas, en la actualidad (fuente)

Tras décadas de olvido, la investigación de un periodista local re-descubrió en 1987 la existencia de las instalaciones y se les acabó dando un uso, afortunadamente, mucho más pacífico del que tenían en un principio…

En cuanto vieron por la tele el descubrimiento de la cueva, los técnicos de la Universidad de Canterbury pelearon hasta hacerse con las instalaciones ya que las condiciones de aislamiento mecánico y estabilidad térmica del lugar eran justo lo que andaban buscando para la realización de un sofisticado experimento: la construcción de un enorme láser de anillo (ring laser).

Los rayos láser no son más que rayos de luz de un color muy puro (un espectro de frecuencia muy estrecho), donde la onda de luz es prácticamente un único «tono» que vibra al unísono (se dice que es luz coherente).

Hoy día encontramos generadores láser por todos sitios: lectores de códigos de barras, lectores de DVD, punteros láser, discotecas, etc. Todos esos inventos llevan un generador láser basado en el mismo diseño: una cavidad que actúa de «resonador óptico». Dentro de la cavidad existe algo (no nos interesa qué) que amplifica únicamente una frecuencia de luz muy selectivamente. Si hacemos que los dos extremos sean «espejos», se puede intuir lo que ocurrirá: se creará una luz a una frecuencia muy concreta y de una alta intensidad. En la práctica, uno de los dos «espejos» es semitranslúcido o tiene un «agujerito» por donde sacar la luz láser para su aprovechamiento:

Estructura común de un emisor láser. El punto «2» refleja el aporte externo de energía necesario para el amplificador (créditos)

¿Qué tiene esto que ver con la rotación de la Tierra? Primero veamos qué podemos esperar «notar» debido al giro del planeta, y luego vemos en qué afecta eso a un láser.

Sabemos por la relatividad especial de Einstein que nos sería imposible distinguir si estamos en reposo o moviéndonos en línea recta a una velocidad cualquiera, por muy alta que sea. Ya que la Tierra es tan grande, el camino por el que nos movemos debido a su rotación tiene una curvatura muy pequeña, es casi una línea recta. Por lo tanto podemos separar dos componentes en ese movimiento:

Una velocidad lineal en línea recta de hasta 1600 km/h (en el Ecuador), más
una pequeña componente de giro o rotación.

Debido a la relatividad, no podemos notar esos 1600 km/h de la primera componente. Seguro que a los antiguos les parecía contraintuitivo aceptar que podamos ir tan rápido sin notar absolutamente nada, lo que seguro retrasó la idea de que el «centro del Universo» era el Sol y no la Tierra. A pesar de la inspiradora escena del experimento en el barco que Hipatia de Alejandría realizaba en la película Ágora (2009), tendríamos que esperar hasta Copérnico para el primer argumento razonable por escrito a favor de que la Tierra se mueve. Con muy buen criterio, a Copérnico le parecía aún más increíble aceptar que fuesen las estrellas las que girasen alrededor de nosotros, ya que entonces lo deberían hacer a velocidades inconmensurables dada su distancia. Era más fácil aceptar que somos nosotros los que nos movíamos a una velocidad alta, pero muy inferior.

¿Qué pasa con la segunda componente, la del giro? Evidentemente, se trata de una rotación a una velocidad de 360º cada 24 horas, o 0,25º cada minuto. Nuestro cuerpo no lo puede notar sencillamente porque nuestro oído interno, el encargado de detectar los giros en el cuerpo humano, tiene un umbral de detección en torno a 2º por segundo. Vamos, que nos pueden sentar en una silla de ruedas con los ojos vendados y no notaríamos nada si durante 3 minutos alguien nos hace girar hasta dar una vuelta completa. Así que ni hablemos de si lo hacen tan despacio como el planeta, al que le lleva 24 horas.

Por lo tanto, el giro de la Tierra queda totalmente enmascarado para el oído interno y es imposible notarlo con nuestros sentidos humanos. Pero eso no quiere decir que no podamos construir máquinas que sí lo noten. Como te imaginarás, aquí entran en el juego los rayos láser.

Los láseres como he descrito arriba no se ven afectados por el giro del planeta, pero existen otras formas más exóticas de construirlos. Un láser de anillo es una alternativa, donde la cavidad ya no es un simple cilindro o prisma recto, sino que forma un bucle a base de espejos, tal que un rayo que salga del amplificador en una dirección volverá a él por su cara contraria tras recorrer todo el bucle:

Esquema idealizado de un láser de anillo (créditos)

Las dos ondas estacionarias que se forman en un láser «normal» (sin bucles), ahora se extienden a lo largo de todo el anillo cerrado. Y aquí vuelve a aparecer Einstein: según su relatividad, la velocidad de la luz (como un láser) no se ve afectada por el movimiento de quien la emite o la recibe.

Dos frentes de onda viajando en un anillo que gira parecerán tener un desfase para un observador que también gire (créditos).

Aplicando esto a nuestro láser de anillo es fácil ver qué implica: si el anillo y el observador estuviesen girando, los dos frentes de onda láser pareceran viajar en direcciones opuestas a distintas frecuencias (colores), donde esta diferencia (efecto Sagnac) será proporcional a la velocidad de rotación:

Es midiendo esta diferencia de frecuencia como se puede medir, de manera instantánea y de forma extremadamente precisa la velocidad a la que nuestro planeta gira, incluyendo los pequeños vaivenes e irregularidades diarias en su giro. Como podéis intuir, algo tan sensible que es capaz de notar el giro de la Tierra no es como para colocarlo en un edificio de oficinas normal, donde el paso de un coche en una calle cercana generaría tantas vibraciones como para enmascarar cualquier otra cosa. Es por eso que este tipo de láseres deben instalar muy bien acoplados a una roca profunda y alejados de ruido, cambios de presión y temperatura.

Os dejo un ejemplo de las medidas que realizó el equipo de la universidad de Canterbury en la antigua cueva militar. La frecuencia corregida de 79.78Hz es la señal correspondiente al giro del planeta, y sus subidas y bajadas deben ser variaciones reales en la velocidad de la Tierra:

Para quien tenga curiosidad en más detalles técnicos, aquí está el artículo técnico: «Earth tide and tilt detection by a ring laser gyroscope«, JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, 2003. (PDF) y esta es la web del laboratorio en la cueva.

Para terminar, hay que decir que mucho antes del descubrimiento del láser alguien demostró experimentalmente que el giro de la Tierra se podía «notar»: lo hizo el francés Léon Foucalt sobre 1851. Seguro que alguna vez lo habéis visto en directo en alguna exposición de ciencias, ya que es uno de los experimentos más sencillos y llamativos que se pueden montar.

El siguiente vídeo (muy, muy recomendable) ilustra perfectamente cómo funciona, así que no añado más: