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Velocidad de la luz



La velocidad de la luz en el "vacío" es por definición una constante universal de valor 299.792.458 m/s (aproximadamente 300.000 km/s, o exactamente 299.792,458 km/s). Se denota con la letra c, proveniente del latín celéritās (velocidad), y también es conocida como la constante de Einstein. La velocidad de la luz fue incluida oficialmente en el Sistema Internacional de Unidades como constante el 21 de octubre de 1983, pasando así el metro a ser una unidad dada en función de esta constante y el tiempo.

La velocidad a través de un medio que no sea el "vacío" depende de sus permitividad eléctrica y permeabilidad magnética y otras características electromagnéticas. En medios materiales, esta velocidad es inferior a "c" y queda codificada en el índice de refracción. En modificaciones del vacío más sutiles, como espacios curvos, efecto Casimir, poblaciones térmicas o presencia de campos externos, la velocidad de la luz depende de la densidad de energía de ese vacío.



Tabla de contenidos

Descripción

De acuerdo con la física moderna estándar, toda radiación electromagnética (incluida la luz visible) se propaga o mueve a una velocidad constante en el vacío, conocida comúnmente como velocidad de la luz, que es una constante física denotada como c. Esta velocidad c es también la velocidad de la propagación de la gravedad en la Teoría general de la relatividad.

Una consecuencia en las leyes del electromagnetismo (tales como las ecuaciones de Maxwell) es que la velocidad c de radiación electromagnética no depende de la velocidad del objeto que emite la radiación. Así, por ejemplo, la luz emitida de una fuente de luz que se mueve rápidamente viajaría a la misma velocidad que la luz proveniente de una fuente estacionaria (aunque el color, la frecuencia, la energía y el momentum de la luz cambiarán, fenómeno que se conoce como efecto Doppler).

Si se combina esta observación con el principio de relatividad, se concluye que todos los observadores medirán la velocidad de la luz en el vacío como una misma, sin importar el marco de referencia del observador o la velocidad del objeto que emite la luz. Debido a esto, se puede ver a c como una constante física fundamental. Este hecho, entonces, puede ser usado como base de la teoría de relatividad especial. La constante es la velocidad c, en vez de la luz en sí misma, lo cual es fundamental para la relatividad especial. De este modo, si la luz es de alguna manera retardada para viajar a una velocidad menor a c, esto no afectará directamente a la teoría de relatividad especial.

Observadores que viajan a grandes velocidades encontrarán que las distancias y los tiempos se distorsionan de acuerdo con la transformación de Lorentz. Sin embargo, las transformaciones distorsionan tiempos y distancias de manera que la velocidad de la luz permanece constante. Una persona viajando a una velocidad cercana a c también encontrará que los colores de la luz al frente se tornan azules y atrás se tornan rojos.

Si la información pudiese viajar más rápido que c en un marco de referencia, la causalidad sería violada: en otros marcos de referencia, la información sería recibida antes de ser mandada; así, la causa puede ser observada después del efecto. Debido a la dilatación del tiempo de la relatividad especial, el cociente del tiempo percibido entre un observador externo y el tiempo percibido por un observador que se mueve cada vez más cerca de la velocidad de la luz se aproxima a cero. Si algo pudiera moverse más rápidamente que luz, este cociente no sería un número real. Tal violación de la causalidad nunca se ha observado. Existe, sin embargo, un experimento inquietante realizado por los científicos del "NEC Research Institute at Princeton ", los cuales afirman haber logrado pulsos de luz a una velocidad 300 veces superior a c.[1]   (Es necesario notar que se trata de un experimento no confirmado ni publicado aún). Un cono de luz define la ubicación que está en contacto causal y aquellas que no lo están. Para exponerlo de otro modo, la información se propaga de y hacia un punto de regiones definidas por un cono de luz. El intervalo AB en el diagrama a la derecha es "tiempo-como" (es decir, hay un marco de la referencia en qué acontecimiento A y B ocurren en la misma ubicación en el espacio, separados solamente por su ocurrencia en tiempos diferentes, y si A precede B en ese marco entonces A precede B en todos marcos: no hay marco de referencia en el cual el evento A y el evento B ocurren simultáneamente). De este modo, es hipotéticamente posible para la materia (o la información) viajar de A hacia B, así que puede haber una relación causal (con A la causa y B el efecto).

Por otra parte, el intervalo AC es "espacio-como" (es decir, existe un marco de referencia donde el evento A y el evento B ocurren simultáneamente). Sin embargo, también existen marcos en los que A precede C o en el que C precede a A. Confinando una manera de viajar más rápido que la luz, no será posible para ninguna materia (o información) viajar de A hacia C o de C hacia A. De este modo no hay conexión causal entre A y C.

De acuerdo a la definición actual, adoptada en 1983, la velocidad de la luz es exactamente 299.792.458 m/s (aproximadamente 3 × 108 metros por segundo, 300.000 km/s o 300 m por millonésima de s).

El valor de c define la permitividad eléctrica del vacío (\varepsilon_0) en unidades del SIU como:

\varepsilon_0 = 10^{7}/4\pi c^2 \quad \mathrm{(en~ A^2\, s^4\, kg^{-1}\, m^{-3} = F \, m^{-1})}

La permeabilidad magnética del vacío (μ0) no es dependiente de c y es definida en unidades del SIU como:

\mu_0 = 4\,\pi\, 10^{-7} \quad \mathrm{(en~ kg\, m\, s^{-2}\, A^{-2} = N \, A^{-2})}.

Estas constantes aparecen en las ecuaciones de Maxwell, que describen el electromagnetismo y están relacionadas por:

c= \frac {1} {\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}}

Las distancias astronómicas son normalmente medidas en años luz (que es la distancia que recorre la luz en un año, aproximadamente 9,454256 × 1012 km (9 billones de km) especialmente en textos populares.

Definición del metro

Artículo principal: Metro

Históricamente, el metro ha sido definido como una fracción de la longitud de un meridiano a través de París, con referencia a la barra estándar y con referencia a una longitud de onda de una frecuencia particular de la luz. Desde 1983 el metro ha sido definido en referencia al segundo y la velocidad de la luz.

En 1967 la XIII Conferencia General de Pesos y Medidas definió al segundo del tiempo atómico como la duración de 9.192.631.770 períodos de radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo cesio-133, que en la actualidad sigue siendo la definición del segundo.

En 1983 la Conferencia General de Pesos y Medidas definió al metro como la longitud de la trayectoria viajada por la luz en absoluto vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299.792.458 de segundo. Esto se basa en la constancia de la velocidad de la luz para todos los observadores. Entonces, ¿qué significa medir la velocidad de la luz? La respuesta es que encontrando cualquier diferencia medible de los valores definidos significa que la longitud de tiempo estándar está incorrecta, o está exhibiendo un cambio desde el último momento en que fue calibrado. Si tal cambio fuese real en la física, y no un error adjudicable a una perturbación (como un cambio de temperatura o un choque mecánico), entonces se habrá hecho un importante descubrimiento.

La motivación en el cambio de la definición del metro, así como todos los cambios en la definición de unidades, fue proveer una definición precisa de la unidad que pudiese ser fácilmente usada para calibrar homogéneamente dispositivos en todo el mundo. La barra estándar no era práctica en este sentido, ya que no podía ser sacada de su cámara o utilizada por dos científicos al mismo tiempo. También era propensa a cambios masivos de longitud (comparados a la exactitud requerida) debido a variaciones de temperatura, por lo que requirió un largo tiempo de ajustes, desgaste de los extremos, oxidación, etc., lo que se convirtió en importantes problemas en la búsqueda de la exactitud perfecta.

Comunicaciones

La velocidad de la luz es de gran importancia para las telecomunicaciones. Por ejemplo, dado que el perímetro de la Tierra es de 40.075 km (en la línea ecuatorial) y c es teóricamente la velocidad más rápida en la que un fragmento de información puede viajar, el período más corto de tiempo para llegar al otro extremo del globo terráqueo sería 0,067 s.

En la actualidad el tiempo de viaje es un poco más largo, en parte debido a que la velocidad de la luz es cerca de 30% menor en una fibra óptica y raramente existen trayectorias rectas en las comunicaciones globales; además se producen retrasos cuando la señal pasa a través de interruptores eléctricos o generadores de señales. En 2004, un retardo típico de recepción de señales desde Australia o Japón hacia los EE.UU. fue de 0,18 s. Adicionalmente, la velocidad de la luz afecta el diseño de las comunicaciones inalámbricas.

La velocidad de la luz finita se hizo aparente a todo el mundo, en el control de comunicaciones entre el Control Terrestre de Houston y Neil Armstrong cuando éste se convirtió en el primer hombre que puso un pie sobre la Luna: después de cada pregunta, Houston tenía que esperar cerca de 3 s para el regreso de una respuesta aun cuando los astronautas respondían inmediatamente.

De manera similar, el control remoto instantáneo de una nave interplanetaria es imposible debido a que el tiempo transcurrido, por ejemplo, para que los controles terrestres detecten algún problema, además del tiempo necesario para que la nave reciba la respuesta, podría ser de algunas horas.

La velocidad de la luz también puede tener influencia en distancias cortas. En los superordenadores la velocidad de la luz impone un límite de velocidad a la que pueden ser enviados los datos entre procesadores. Si un procesador opera a 1 GHz, la señal sólo puede viajar a un máximo de 300 mm en un ciclo único. Por lo tanto, los procesadores deben ser colocados cerca uno de otro para minimizar los retrasos de comunicación. Si las frecuencias de un reloj continúan incrementándose, la velocidad de la luz finalmente se convertirá en un factor límite para el diseño interno de chips individuales.

Física

Velocidad constante para todos los marcos de referencia

Es importante observar que la velocidad de la luz no es un límite de velocidad en el sentido convencional. Un observador que persigue un rayo de luz lo mediría al moverse paralelamente él mismo viajando a la misma velocidad como si fuese un observador estacionario. Esto conllevaría a consecuencias inusuales para la velocidad.

La mayoría de los individuos están acostumbrados a la regla de la adición de velocidades: si dos coches se acercan desde direcciones opuestas, cada uno viajando a una velocidad de 50 km/h, se esperaría (con un alto grado de precisión) que cada auto percibiría al otro en una velocidad combinada de 50 + 50 = 100 km/h.

Sin embargo, a velocidades cercanas a la de la luz, en resultados experimentales se hace claro que esta regla no se puede aplicar. Dos naves que se aproximen una a otra, cada una viajando al 90% de la velocidad de la luz relativas a un tercer observador entre ellas, no se percibirán mutuamente a un 90% + 90% = 180% de la velocidad de la luz. En su lugar, cada una percibirá a la otra aproximándose a menos de un 99,5% de la velocidad de la luz. Este resultado se da por la fórmula de adición de la velocidad de Einstein:

u = \frac{v+w}{1+\frac{vw}{c^2}} \!

donde v y w son las velocidades de las naves observadas por un tercer observador, y u es la velocidad de cualquiera de las dos naves observada por la otra.

Contrariamente a la intuición natural, sin importar la velocidad a la que un observador se mueva relativamente hacia otro observador, ambos medirán la velocidad de un rayo de luz que se avecina con el mismo valor constante, la velocidad de la luz.

La ecuación anterior fue derivada por Einstein de su teoría de relatividad especial, la cual toma el principio de relatividad como premisa principal. Este principio (originalmente propuesto por Galileo Galilei) requiere que actúen leyes físicas de la misma manera en todos los marcos de referencia.

Ya que las ecuaciones de Maxwell otorgan directamente una velocidad de la luz, debería ser lo mismo para cada observador - una consecuencia que sonaba obviamente equivocada para los físicos del siglo XIX, quienes asumían que la velocidad de la luz dada por la teoría de Maxwell es válida relativamente al éter lumínico.

Pero el experimento de Michelson y Morley, discutiblemente el más famoso y útil experimento en la historia de la física, no pudo encontrar este éter, sugiriendo en su lugar que la velocidad de la luz es una constante en todos los marcos de referencia.

Aunque no se sabe si Einstein conocía los resultados de los experimentos de Michelson y Morley, él dio por hecho que la velocidad de la luz era constante, lo entendió como una reafirmación del principio de relatividad de Galileo, y dedujo las consecuencias, ahora conocidas como la teoría de la relatividad especial, que incluyen la anterior fórmula auto-intuitiva.

Interacción con materiales transparentes

   

El índice de refracción de un material indica qué tan lenta es la velocidad de la luz en ese medio comparado con el vacío. La velocidad de la luz reducida en los materiales puede causar la refracción, según lo demostrado por este prisma (en el caso de una luz blanca que parte del prisma en un espectro de los colores, la refracción se conocen como dispersión).

Al pasar a través de los materiales, la luz es retardada a una velocidad menor que c por el cociente llamado «índice de refracción» del material. La velocidad de la luz en el aire es sólo levemente menor que c. Medios más densos, como el agua y el vidrio, pueden disminuir más la velocidad de la luz, a fracciones como 3/4 y 2/3 de c. Esta reducción de velocidad también es responsable de doblar la luz en una interfase entre dos materiales con índices diferentes, un fenómeno conocido como refracción.

El índice de refracción "n" de un medio viene dado por la siguiente expresión, donde "v" es la velocidad de la luz en ese medio:

n = \frac {c} {v}

Ya que la velocidad de la luz en los materiales depende del índice de refracción, y el índice de refracción depende de la frecuencia de la luz, la luz a diferentes frecuencias viaja a diferentes velocidades a través del mismo material. Esto puede causar distorsión de ondas electromagnéticas que consisten de múltiples frecuencias, llamada dispersión.

Los ángulos de incidencia (i) y de refracción (r) entre dos medios y los índices de refracción están relacionados por la Ley de Snell. Los ángulos se miden con respecto al vector normal a la superficie entre los medios:

n_{i} \cdot \sin(\alpha_{i}) = n_{r} \cdot \sin(\alpha_{r})

A escala microscópica, considerando la radiación electromagnética como una partícula, la refracción es causada por una absorción continua y re-emisión de los fotones que componen la luz a través de los átomos o moléculas por los que está atravesando. En cierto sentido, la luz por sí misma viaja sólo a través del vacío existente entre estos átomos, y es impedida por los átomos. Alternativamente, considerando a la radiación electromagnética como una onda, las cargas de cada átomo (primariamente electrones) interfieren con los campos eléctricos y electromagnéticos de la radiación, retardando su progreso.

Velocidad más rápida que la luz

Una evidencia experimental reciente demuestra que es posible para la velocidad agrupada de la luz exceder c. Un experimento hizo que la velocidad agrupada de rayos láser viajara distancias extremadamente cortas a través de átomos de cesio a 300 veces c. Sin embargo, no es posible usar esta técnica para transferir información más rápido que c: la velocidad de la transferencia de información depende de la velocidad frontal (la velocidad en la cual el primer incremento de un pulso sobre cero la mueve adelante) y el producto de la velocidad agrupada y la velocidad frontal es igual al cuadrado de la velocidad normal de la luz en el material.

Excediendo la velocidad agrupada de la luz de esta manera, es comparable a exceder la velocidad del sonido emplazando gente en una línea espaciada distantemente, y pidiéndoles a todos que griten «¡Estoy aquí!» uno tras otro con intervalos cortos, cada uno midiendo el tiempo al mirar su propio reloj para que no tengan que esperar a escuchar el grito de la persona previa.

La velocidad de la luz también puede parecer superada en cierto fenómeno que incluye ondas evanescentes, tales como túneles cuánticos. Los experimentos indican que la velocidad de fase de ondas evanescentes pueden exceder a c; sin embargo, parecería que ni la velocidad agrupada ni la velocidad frontal exceden c, así, de nuevo, no es posible que la información sea transmitida más rápido que c.

En algunas interpretaciones de la mecánica cuántica, los efectos cuánticos pueden ser retransmitidos a velocidades mayores a c (de hecho, la acción a distancia se ha percibido largamente como un problema con la mecánica cuántica: ver paradoja EPR). Por ejemplo, los estados cuánticos de dos partículas pueden ser enlazados, de manera que el estado de una partícula arregle el estado de otra partícula (diciéndolo de otra manera, uno debe tener un giro de +½ y el otro debe girar -½). Hasta que las partículas son observadas, éstas existen en una superposición de dos estados cuánticos, (+½, –½) y (–½, +½). Si las partículas son separadas y una de ellas es observada para determinar su estado cuántico, entonces el estado cuántico de la segunda partícula es determinado automáticamente. Si, en algunas interpretaciones de mecánica cuántica, se presume que la información acerca del estado cuántico el local para una partícula, entonces se debe concluir que la segunda partícula toma su estado cuántico instantáneamente, tan pronto como la primera observación se lleva a cabo. Sin embargo, es imposible controlar qué estado cuántico tomara la primera partícula cuando sea observada, así que ninguna información puede ser transmitida de esta manera. Las leyes de la física también parecen prevenir que la información sea transmitida a través de maneras más astutas y esto ha llevado a la formulación de reglas tales como el teorema de no clonación.

El llamado movimiento superluminar también es visto en ciertos objetos astronómicos, tales como los jet de Galaxia activa, galaxias activas y cuásares. Sin embargo, estos jets no se mueven realmente a velocidades excedentes a la velocidad de la luz: el movimiento aparente superluminar es una proyección del efecto causado por objetos moviéndose cerca de la velocidad de la luz en un ángulo pequeño del horizonte de visión.

Aunque puede sonar paradójico, es posible que las ondas expansivas se hayan formado con la radiación electromagnética. Ya que una partícula cargada viaja a través de un medio insolado, interrumpe el campo electromagnético local en el medio. Los electrones en los átomos del medio son desplazados y polarizados por el campo de la partícula cargada, y los fotones que son emitidos como electrones se restauran a sí mismos para mantener el equilibrio después de que la interrupción ha pasado (en un conductor, la interrupción puede ser restaurada sin emitir un fotón).

En circunstancias normales, estos fotones interfieren destructivamente unos con otros y no se detecta radiación. Sin embargo, si la interrupción viaja más rápida que los mismos fotones, los fotones interferirán constructivamente e intensificaran la radiación observada. El resultado (análogo a una explosión sónica) es conocido como radiación Cherenkov.

La habilidad de comunicarse o viajar más rápido que la luz es un tema popular en la ciencia ficción. Se han propuesto partículas que viajan más rápido que la luz, taquiones doblados por la física de partículas, pero aún no se ha podido observarlas.

Algunos físicos (entre ellos João Magueijo y John Moffat) han propuesto que en el pasado la luz viajaba mucho más rápido que la actual velocidad de la luz. Esta teoría es llamada velocidad de la luz variable y sus proponentes claman que este fenómeno tiene la habilidad de explicar muchos rompecabezas cosmológicos de mejor manera que su teoría rival, el modelo inflacionario del universo. Sin embargo, todavía no ha ganado suficiente aceptación.

Experimentos para retardar la luz

Fenómenos refractivos tales como el arcoiris tienden a retardar la velocidad de la luz en un medio (como el agua, por ejemplo). En cierto sentido, cualquier luz que viaja a través de un medio diferente del vacío viaja a una velocidad menor que c como resultado de la refracción. Sin embargo, ciertos materiales tienen un índice de refracción excepcionalmente alto: en particular, la densidad óptica del condensado de Bose-Einstein puede ser muy alta.

En 1999, un equipo de científicos encabezados por Lene Hau pudo disminuir la velocidad de un rayo de luz a cerca de 17 m/s, y en 2001 pudieron detener momentáneamente un rayo de luz.

En 2003, Mijaíl Lukin, junto con científicos de la Universidad Harvard y el Instituto de Física Lebedev (de Moscú), tuvieron éxito en detener completamente la luz al dirigirla a una masa de gas rubidio caliente, los átomos del cual, en palabras de Lukin, se comportaron como «pequeños espejos», debido a los patrones de interferencia en dos rayos de control.

Historia

Hasta tiempos relativamente recientes, la velocidad de la luz fue un tema de grandes conjeturas. Empédocles creía que la luz era algo en movimiento, y que por lo tanto en su viaje tenía que transcurrir algún tiempo.

Aristóteles por el contrario, creía que «la luz está sujeta a la presencia de algo, pero no es el movimiento». Además, si la luz tiene una velocidad finita, ésta tenía que ser inmensa. Aristóteles afirmó: «La tensión sobre nuestro poder de creencias es demasiado grande para creer esto».

Una de las teorías antiguas de la visión es que la luz es emitida por el ojo, en lugar de ser generada por una fuente y reflejada en el ojo. En esta teoría, Herón de Alejandría adelantó el argumento de que la velocidad de la luz debería ser infinita, ya que cuando uno abre los ojos objetos distantes como las estrellas aparecen inmediatamente.

Islam

Los filósofos islámicos Avicena y Alhazen creían que la luz tiene una velocidad finita, aunque en este punto otros filósofos convinieron con Aristóteles.

Hinduismo

La escuela Ayran de filosofía en la antigua India también mantuvo que la velocidad de la luz era finita.

Siglo XIV El filósofo Sayana del siglo XIV escribió el siguiente comentario en el verso 1.50 del Rig Veda:

Se recuerda así: «[Sol de O], tú que viajas 2202 yojanas en la mitad de un parpadeo.

Análisis del parpardeo hindú Según el Bhāgavat Purāna (3.11.6-8) se puede deducir que un parpadeo (nimesha en sánscrito) dura aproximadamente 0,53 s

Equivalencias temporales La tabla completa de equivalencias con las medidas actuales de tiempo es:

  • medio día (12 h) = 4 yamas
  • 1 yama [3 h] = 6 dandas
  • 1 nadika (o danda) [30 min] = 15 laghus
  • 1 laghu [2 min] = 15 kasthas
  • 1 kastha [8 s] = 5 kshanas
  • 1 kshana [1,6 s] = 3 nimeshas
  • 1 nimesha [0,5333 s] = 3 lavas
  • 1 lava [0,1777 s] = 3 vedhas
  • 1 vedha [0,0592.592.592.592 o 6 centésimas de segundo] = 100 trutis
  • 1 truti [0,000592.592.592.592 s] = 3 trasarenus
  • 1 trasarenu = 0,00019753086419 s (198 millonésimas de segundo).

Yojana

Según distintos investigadores, la longitud de un yojana puede equivaler a 2,5; 4; 5; 9 o 18 millas. La longitud más aceptada en la actualidad equivale a 8,757 millas o 14,093 km (1,609344 km/mi).

Traducción a unidades actuales De esta manera, 2202 yojanas (31.032,842 km) recorridos en medio «parpadeo» (266 milésimas de segundo), representan una velocidad de 116.664,819 km/s. Este valor (comparado con la velocidad de la luz, que asciende a 299.792,458 km/s) representa un acierto del 39 %.

En cambio Subhash Kak (1998) opina que el dato es posiblemente acertado sólo dentro de un 1%, aunque reconoce que si se adoptan otros valores posibles de estas unidades la exactitud de esta declaración se puede aumentar a un porcentaje de 4 %.

Velocidad del sol De acuerdo con algunos estudiosos, el comentario indio del s. XIV podría no referirse a a la velocidad de la luz sino más bien a la velocidad del Sol en el espacio.

La órbita del sol tiene una longitud de 936 millones de km aproximadamente y la duración de un año solar equivale a 31.556.926 s (365 días, 5 h, 48 m y 46 s; y un día solar equivale a 24 h, 3 min, 56,56 s). Por lo tanto la velocidad del sol es de 29,6668 km/s.

Entonces el error de los indios medievales se encontraría en el orden del 392.269 %. En cambio si se supone que el comentario se refería a la velocidad de la luz, se obtiene un error de apenas 61 %.

Europa

Johannes Kepler creía que la velocidad de la luz es finita ya que el espacio vacío no representa un obstáculo para ella. Francis Bacon argumentó que la velocidad de la luz no es necesariamente finita, ya que algo puede viajar tan rápido como para ser percibido.

René Descartes argumentó que si la velocidad de la luz era finita, el Sol, la Tierra y la Luna estarían perceptiblemente fuera de alineación durante un eclipse lunar. Debido a que tal desalineación no se ha observado, Descartes concluyó que la velocidad de la luz es infinita. De hecho, Descartes estaba convencido de que si la velocidad de la luz era finita, todo su sistema de filosofía sería refutado.

Medición de la velocidad de la luz

La historia de la medición de la velocidad de la luz comienza en el siglo XVII en los albores de la revolución científica. La mayor parte de los primeros experimentos para intentar medir la velocidad de la luz fracasaron debido a su alto valor y tan solo se pudieron obtener medidas indirectas a partir de fenómenos astronómicos. En el siglo XIX se pudieron realizar los primeros experimentos directos de medición de la velocidad de la luz confirmando su naturaleza electromagnética y las ecuaciones de Maxwell.

Primeros intentos

En 1629 Isaac Beeckman, un amigo de René Descartes, propuso un experimento en el que se pudiese observar el flash de un cañón reflejándose en un espejo ubicado a 1,6 km del primero. En 1638, Galileo propuso un experimento, para medir la velocidad de la luz al observar la percepción del retraso entre el lapso de destapar una linterna a lo lejos. René Descartes criticó este experimento como algo superfluo, en el hecho de que la observación de eclipses, los cuales tenían más poder para detectar una velocidad finita, dio un resultado negativo. En 1667, este experimento se llevó a cabo por la Academia del Cimento de Florencia, con las linternas separadas a 1,6 km sin observarse ningún retraso. Robert Hooke explicó los resultados negativos tal como Galileo había dicho: precisando que tales observaciones no establecerían la infinita velocidad de la luz, tan sólo que dicha velocidad debía ser muy grande.

Primeras mediciones

En 1676 Ole Rømer realizó el primer estimado cuantitativo de la velocidad de la luz, estudiando el movimiento del satélite Ío de Júpiter con un telescopio. Es posible medir el tiempo de la revolución de Ío debido a los movimientos de la sombra entrante/saliente de Júpiter en intervalos regulares. Rømer observó que Ío gira alrededor de Júpiter cada 42,5 h cuando la Tierra esta más cerca de Júpiter. También observó que, como la Tierra y Júpiter se mueven separándose, la salida de Ío fuera de la proyección de la sombra comenzaría progresivamente más tarde de lo predicho. Las observaciones detalladas mostraban que estas señales de salida necesitaban más tiempo en llegar a la Tierra, ya que la Tierra y Júpiter se separaban cada vez más. De este modo el tiempo extra utilizado por la luz para llegar a la Tierra podía utilizarse para deducir la velocidad de ésta. Un año después, las entradas de Ío en la proyección de la sombra ocurrían con mayor frecuencia ya que la Tierra y Júpiter se acercaban uno a otro. Con base a estas observaciones, Rømer estimó que la luz tardaría 22 min en cruzar el diámetro de la órbita de la Tierra (es decir, el doble de la unidad astronómica); las estimaciones modernas se acercan más a la cifra de 16 min y 40 s.

Alrededor de la misma época, la unidad astronómica se estimaba en cerca de 140 millones de km. La unidad astronómica y la estimación del tiempo de Rømer fueron combinados por Christian Huygens, quien consideró que la velocidad de la luz era cercana a 1000 diámetros de la Tierra por minuto, es decir, unos 220.000 km/s, muy por debajo del valor actualmente aceptado, pero mucho más rápido que cualquier otro fenómeno físico entonces conocido.

Isaac Newton también aceptó el concepto de velocidad finita. En su libro Opticks expone el valor más preciso de 16 minutos por diámetro, el cual parece él dedujo por sí mismo (se desconoce si fue a partir de los datos de Rømer, o de alguna otra manera).

El mismo efecto fue subsecuentemente observado por Rømer en un punto rotando con la superficie de Júpiter. Observaciones posteriores también mostraron el mismo efecto con las otras tres lunas Galileanas, donde era más difícil de observar al estar estos satélites más alejados de Júpiter y proyectar sombras menores sobre el planeta.

Aunque por medio de estas observaciones, la velocidad finita de la luz no fue establecida para la satisfacción de todos (notablemente Jean-Dominique Cassini), después de las observaciones de James Bradley (1728), la hipótesis de velocidad infinita se consideró totalmente desacreditada. Bradley dedujo que la luz de las estrellas cayendo sobre la Tierra parecerían provenir en un ángulo leve, que podría ser calculado al comparar la velocidad de la Tierra en su órbita con la velocidad de la luz. Se observó esta llamada aberración de la luz, estimándose en 1/200 de un grado.

Bradley calculó la velocidad de la luz en alrededor de 298.000 km/s. Esto es solamente un poco menos que el valor actualmente aceptado. El efecto de aberración fue estudiado extensivamente en los siglos posteriores, notablemente por Friedrich Georg Wilhelm Struve y Magnus Nyren.

Medidas directas

  La segunda medida acertada de la velocidad de la luz usando un aparato terrestre fue realizada por Hippolyte Fizeau en 1849. El experimento de Fizeau era conceptualmente similar a aquellos propuestos por Beeckman y Galileo. Un rayo de luz se dirigía a un espejo a cientos de metros de distancia. En su trayecto de la fuente hacia el espejo, el rayo pasaba a través de un engranaje rotatorio. A cierto nivel de rotación, el rayo pasaría a través de un orificio en su camino de salida y en otro en su camino de regreso. Pero en niveles ligeramente menores, el rayo se proyectaría en uno de los dientes y no pasaría a través de la rueda. Conociendo la distancia hacia el espejo, el número de dientes del engrane, y el índice de rotación, se podría calcular la velocidad de la luz. Fizeau reportó la velocidad de la luz como 313.000 km/s. El método de Fizeau fue refinado más tarde por Marie Alfred Cornu (1872) y Joseph Perrotin (1900) pero fue el físico francés Léon Foucault quien más profundizó en la mejoras del método de Fizeau al reemplazar el engranaje con un espejo rotatorio. El valor estimado por Foucault, publicado en 1862, fue de 298.000 km/s. El método de Foucault también fue usado por Simon Newcomb y Albert Michelson, quien comenzó su larga carrera replicando y mejorando este método.

En 1926, Michelson utilizó espejos rotatorios para medir el tiempo que tardaba la luz en hacer un viaje de ida y vuelta entre la montaña Wilson y la montaña San Antonio en California. Las medidas exactas rindieron una velocidad de 299.796 km/s.

Relatividad

En base al trabajo de James Clerk Maxwell, se sabe que la velocidad de la radiación electromagnética es una constante definida por las propiedades electromagnéticas del vacío (constante dieléctrica y permeabilidad).

En 1887, los físicos Albert Michelson y Edward Morley realizaron el influyente experimento Michelson-Morley para medir la velocidad de la luz relativa al movimiento de la Tierra. La meta era medir la velocidad de la Tierra a través del éter, el medio que se pensaba en ese entonces necesario para la transmisión de la luz. Tal como se muestra en el diagrama de interferómetro de Michelson, se utilizó un espejo con media cara plateada para dividir un rayo de luz monocromática en dos rayos viajando en ángulos rectos uno respecto del otro. Después de abandonar la división, cada rayo era reflejado de ida y vuelta entre los espejos en varias ocasiones (el mismo número para cada rayo para dar una longitud de trayectoria larga pero igual; el experimento Michelson-Morley actual usa más espejos) entonces una vez recombinados producen un patrón de interferencia constructiva y destructiva.

Cualquier cambio menor en la velocidad de la luz en cada brazo del interferómetro cambiaría la cantidad de tiempo gastada en su tránsito, que sería observado como un cambio en el patrón de interferencia. En el acontecimiento, el experimento dio un resultado nulo.

Ernst Mach estuvo entre los primeros físicos que sugirieron que el experimento actualmente aportaba una refutación a la teoría del éter. El desarrollo en física teórica había comenzado a proveer una teoría alternativa, la contracción Fitzgerald-Lorentz, que explicaba el resultado nulo del experimento.

Es incierto si Einstein sabía los resultados de los experimentos de Michelson y Morley, pero su resultado nulo contribuyó en gran medida a la aceptación de su teoría de relatividad. La teoría de Einstein no requirió un elemento etérico sino que era completamente consistente con el resultado nulo del experimento: el éter no existe y la velocidad de la luz es la misma en cada dirección. La velocidad constante de la luz es uno de los postulados fundamentales (junto con la causalidad y la equivalencia de los marcos de inercia) de la relatividad especial.

Véase también

  • Velocidad de la luz variable
  • Velocidad de la luz en un medio material
  • Más rápido que la luz

Referencias

  1. ↑ Upheavals in Physics: The Speed of Light Exceeded - Chuck Missler - Koinonia House

Referencias históricas

  • Fizeau, H. L., «Sur une experience relative a la vitesse de propogation de la lumiere», Comptes Rendus 29, 90-92, 132, 1849 (en francés).
  • Foucault, J. L., «Determination experimentale de la vitesse de la lumiere: parallaxe du Soleil», en Comptes Rendus 55, 501-503, 792-796, 1862 (en francés).
  • Halley, Edmund, «Monsieur Cassini, his New and Exact Tables for the Eclipses of the First Satellite of Jupiter, reduced to the Julian Stile and Meridian of London», en Philosophical Transactions 18, n.º 214, pág. 237-256, diciembre de 1694 (en inglés).
  • Michelson, A. A., «Experimental Determination of the Velocity of Light», Proceedings of the American Association for the Advancement of Science 27, 71-77, 1878 (en inglés).
  • Michelson, A.A., F. G. Pease y F. Pearson, «Measurement Of The Velocity Of Light In A Partial Vacuum», Astrophysical Journal 82, 26-61, 1935 (en inglés).
  • Newcomb, Simon, «The Velocity of Light», en revista Nature, pág. 29-32, 13 de mayo de 1886 (en inglés).
  • Perrotin, Joseph, «Sur la vitesse de la lumiere», en Comptes Rendus 131, 731-734, 1900 (en francés).
  • Rømer, Ole, «Démonstration touchant le mouvement de la lumière», en Journal des Sçavans, 7 de diciembre de 1676, pág. 223-236 (disponible en francés como sólo texto en: astro.campus.ecp.fr), traducido como «A Demonstration concerning the Motion of Light», en Philosophical Transactions of the Royal Society, n.º 136, pág. 893-894; 25 de junio de 1677, disponible en francés como sólo texto en: astro.campus.ecp.fr).

Referencias modernas

  • Jackson, John David, Classical electrodynamics, ISBN 047130932X, John Wiley & Sons, 2ª edición, 1975; 3ª edición, 1998 (en inglés).
  • Kak, Subhash, «The Speed of Light and Purānic Cosmology», en T. R. N. Rao y Subhash Kak, Computing Science in Ancient India (pág. 80-90), disponible en e-print physics/9804020 en el arXiv, USL Press, Lafayette, 1998 (en inglés).
  • MacKay, R. J., y R. W. Oldford, «Scientific Method, Statistical Method and the Speed of Light», disponible en [1]), en Statistical Science 15(3), pág. 254-278, 2000 (en inglés).

Enlaces externos

  • AstroMía.com (información acerca de la velocidad de la luz).
  • Maloka.org (velocidad de la luz).
  • INAOEP.mx (Instituto Nacional de Astrofisíca, Óptica y Electrónica).
  • Experimento casero (Microondas, regaliz y la velocidad de la luz).
  • Portalciencia.com.ar - Informe sobre la velocidad de la luz
  • Vídeos de objetos vistos a velocidades cuasilumínicas (Universidad de Tübingen)be-x-old:Хуткасьць сьвятла
 
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