Velocidad de la luz
Keywords: Velocidad de la luz, 1676, 1849, 1862, 1887, 1926, 1967, 1983
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La velocidad de la luz en el vacío es una cantidad exacta equivalente a 299,792,458 metros por segundo (aproximadamente 186,282.4 millas por segundo). La velocidad de la luz se denota con la letra c, proveniente del latín celeritas,"velocidad", también es conocida como la constante de Einstein. Esta velocidad exacta es una definición, no una medida, ya que el metro por sí mismo esta definido en términos de la velocidad de la luz y el segundo. La velocidad de la luz a través de un medio (que no sea el vacío) es menor a c (definiendo el índice refractivo del medio). "Velocidad de la Luz" se abrevia en algunas ocasiones como SOL (del inglés Speed Of Light).
Descripción
De acuerdo a la teoría física moderna estándar, toda la radiación electromagnética, incluyendo la luz visible, propagaciones (o movimientos) a una velocidad constante en el vacío, son conocidas comúnmente como la 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 la 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 de luz (aunque el color, frecuencia, energía, y el momentum de la luz será cambiado, gracias al efecto Doppler). Si uno 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. Cabe notar que la constante es la velocidad c, en vez de la luz en si 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 afectara directamente la teoría de relatividad especial.
Observadores que viajan a grandes velocidades encontraran que las distancias y tiempos se distorsionan ("dilatan") de acuerdo a la transformaciones de Lorentz; sin embargo, las transformaciones distorsionan tiempos y distancias de manera que la velocidad de la luz permanece constante. Una perdona viajando a una velocidad cercana a c también encontrara que los colores de la luz al frente se tornan azul 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 podría moverse más rápidamente que luz, este cociente no sería un número real. Tal violación de la causalidad nunca no se ha observado.
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 en el diagrama a la derecha 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 (como se muestra) o en el que C precede a A. Confinando una manera de viajar mas 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 prevaleciente definición en la actualidad, adoptada en 1983, la velocidad de la luz es exactamente 299,792,458 metros por segundo (aproximadamente 3 x 108 metros por segundo, o cerca de 30 centímetros -1 pie- por nanosegundo).
El valor de c define la constante dieléctrica del espacio libre (ε0) en unidades del SIU como:
La permeabilidad del espacio libre (μ0) no es dependiente de c y es definida en unidades del SIU como:
Estas constantes aparecen en las ecuaciones de Maxwell, que describen el electromagnetismo y esta relacionadas por:
Las distancias astronómicas son normalmente medidas en años luz (la distancia que recorre la luz en un año, aproximadamente 9.46 × 1012 kilómetros o cerca de 5.88 × 1012 millas) especialmente en textos populares.
Definición del 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 (segundo de tiempo) y a 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 (ejemplo: un metro es 1/299,792,458 segundo luz). Esto se basa en la constancia de la velocidad de la luz para todos los observadores. Entonces, "¿que 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 esta incorrecto, o esta 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 habar 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 era impractica en este sentido, ya que no podría ser removida 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 comunicaciones. Por ejemplo, dado que la circunferencia ecuatorial de la Tierra es de 40,075 km y c es teóricamente la velocidad mas 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 segundos.
En la actualidad el tiempo de transito es un poco mas largo, en parte debido a que la velocidad de la luz es cerca de 30% mas lenta en una fibra óptica y raramente existen trayectorias rectas en las comunicaciones globales, además que toman lugar retrasos cuando la señal pasa a través de interruptores eléctricos o generadores de señales. Un tiempo típico de recepción de señales de Australia o Japón hacia E.U. durante 2004 fue de 0.18 segundos. Adicionalmente, la velocidad de la luz afecta el diseño de las comunicaciones inalámbricas.
La finita velocidad del a luz se hizo aparente a todo el mundo, en el monitoreo de comunicaciones entre el Control Terrestre de Houston y Neil Armstrong cuando este se convirtió en el primer hombre que puso pie sobre la luna: Para cada pregunta, Houston tenia que esperar cerca de 3 segundos para regresara una respuesta aun cuando los astronautas respondían inmediatamente.
Similarmente, el control remoto instantáneo de una nave interplanetaria es imposible, en el sentido de que del tiempo que se toma, por ejemplo; para que los controles terrestres se enteren de algún problema, además del tiempo que se toma para que la nave reciba la respuesta, que podrían ser algunas horas.
La velocidad de la luz también puede ser de preocupación en distancias cortas. En las supercomputadoras la velocidad de la luz impone un límite de que tan rápido pueden ser mandados los datos entre procesadores. Si un procesador opera a 1 GHz, la señal solo 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 latentes de comunicación. Si las frecuencias de un reloj continúan incrementándose, la velocidad de la luz eventualmente 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 al 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 regla de la adición de velocidades: si dos coches se acercan desde direcciones opuestas, cada uno viajando a una velocidad de 50 km por hora (31 mph), se esperaría que cada auto percibiría al otro en una velocidad combinada de 50 + 50 = 100 km/h (62 mph) con un alto grado de presición.
Sin embargo, a velocidades cercanas a la de la luz, en resultados experimentales se hace claro que esta regla no aplica. 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 último resultado se da por la formula de adición de la velocidad de Einstein:
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 luz que se avecina con el mismo valor constante, la velocidad de la luz.
La ecuación anterior fue derivada por Albert 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 valida relativamente al ether lumínico. Pero el experimento Michelson-Morley, discutiblemente el más famoso y útil experimento en la historia de la física, no pudo encontrar este ether, sugiriendo en su lugar que la velocidad de la luz es una constante en todos los marcos d referencia.
Aunque es incierto si Einstein sabía los resultados del Experimento de Michelson-Morley, él dio por hecho la velocidad de la luz como una 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 incluye la anterior fórmula auto-intuitiva.
Interacción con materiales transparentes
El índice de refracción de un material indica que 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 el índice de refracción del material. La velocidad de la luz en aire es solo levemente menor que c. En medios más densos, como el agua y el vidrio, pueden disminuir más a la luz, a fracciones como 3/4 y 2/3 de c. Esta reducción de velocidad también es responsable de doblar de la luz en una interfase entre dos materiales con índices diferentes, un fenómeno conocido como refracción.
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.
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 esta atravesando. En cierto sentido, la luz por si misma viaja solo 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"
Reciente evidencia experimental muestra que es posible para la velocidad agrupada de la luz exceder a 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 mas rápido que c: la velocidad de la transferencia de información depende de la velocidad frontal (la velocidad en la cuál el primer incremento de un pulso sobre cero le 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 acomodando 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 escuchar al grito de la persona previa.
La velocidad de la luz también puede parecer superada en cierto fenómeno que incluye ondas evanescentes, tales como túneles cuantum. Los experimentos indican que la velocidad 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 mas rápido que c.
En algunas interpretaciones de la mecánica quántica, los efectos quánticos pueden ser retransmitidos a velocidades mayores a c (de hecho, la acción a distancia se ha percibido largamente como un problema con la mecánica quántica: ver paradoja EPR). Por ejemplo, los estados quánticos 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, estas existen en una superposición de dos estados quánticos, (+½, -½) y (-½, +½). Si las partículas son separadas y una de ellas es observada para determinar su estado quántico, entonces el estado quántico de la segunda partícula es determinado automáticamente. SI, en algunas interpretaciones de mecánica quántica, uno presume que la información acerca del estado quántico el local para una partícula, entonces se debe concluir que la segunda partícula toma su estado quántico instantáneamente, tan pronto como la primera observación se lleva a cabo. Sin embargo, es imposible controlar que estado quántico tomara la primer 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 mas 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 quásares. 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 si mismos para mantener 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 mas rápida que los mismos fotones, los fotones interferirán constructivamente e intensificaran la radiación observada. El resultado (análogo a una explosión sónica) es conocido como Radiacion 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 mas rápido que la luz, Taquiónes doblados, por lafísica de partículas pero aun no se ha podido observarlas.
Algunos físicos (entre ellos Joao Magueijo y John Moffat), han propuesto que en el pasado la luz viajó 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 inflacional del universo. Sin embargo, aun le falta ganar una mayor 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 pudó disminuir la velocidad de un rayo de luz a cerca de 17 metros por segundo, y en 2001, ellos pudieron detener momentáneamente un rayo de luz.
En 2003, Mikhail Lukin, junto con científicos de la Universidad de Harvard y el Lebedev Physical Institute 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 comportó "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 largamente un tema de conjetura. Empedocles mantuvo que la luz era algo en movimiento, y por lo tanto tenia que haber algún tiempo transcurrido en su viaje. Aristóteles dijo que, por lo contrario, "la luz esta sujeta a la presencia de algo, pero no es el movimiento". Además, si la luz tiene una velocidad finita, esta tenia que ser inmensa; Aristóteles afirmó: "la tensión sobre nuestro poder de la creencias es demasiado grande para creer esto".
Una de las teorías antiguas de la visión es que la luz es emitida del ojo, en lugar de ser reflejada en el ojo por otra fuente. En esta teoría, Herón de Alejandría adelanto el argumento de que la velocidad de la luz debería ser finita, ya que objetos distantes tales como las estrellas aparecen inmediatamente cuando uno abre sus ojos.
Teorías medievales y primeras teorías modernas
Los filósofos islámicos Avicena y Alhazen creyeron que la luz tiene una velocidad finita, aunque muchos filósofos convinieron con Aristóteles en este punto. La escuela Ayran de filosofía en la antigua India también mantuvo que la velocidad de la luz era finita. El filósofo Sayana del siglo XIV escribió el siguiente comentario en el verso 1.50 del Rig Veda:
"se recuerda así: [sol de O] tu que viajas 2202 yojanas en la mitad de una nimesa."
De acuerdo a algunos, esto se refiere a la velocidad de la luz. No se sabe exactamente que tan largo es un yojana o un nimesa, pero su valor es posiblemente acertado dentro de un 1% (Kak, 1998), aunque adoptando otros valores posibles de estas las unidades la exactitud de esta declaración se puede reducir a un factor de 4.
Johannes Kepler creyó 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 argumento 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 concluyo 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 seria refutado.
Medición de la velocidad de la luz
Isaac Beeckman, un amigo de Descartes, propuso un experimento (1629) en el que se pudiese observar el flash de un cañón que reflejándose en un espejo ubicado cerca de una milla del primero. Galileo propuso un experimento (1938), -que se presume haber realizado algunos años antes-, para medir la velocidad de la luz al observar la percepción del retraso entre el lapso de destapar una linterna a lo lejos. Descartes criticó este experimento como algo superfluo, en el hecho de que la observación de eclipses, los cuales tenían mas poder para detectar una velocidad finita, dio un resultado negativo. Este experimento se llevó a cabo por la Academia del Cimento de Florencia en 1667, con las linternas separadas alrededor de una milla. No se observo ningún retraso. Robert Hooke explicó los resultados negativos tal como Galileo lo había dicho: precisando que tales observaciones no establecerían la infinita velocidad de la luz, solamente que la velocidad debía ser muy grande.
El primer estimado cuantitativo de la velocidad de la luz fue hecho en 1676 por Ole Rømer, quien estudió el movimiento del satélite Io de Júpiter con un telescopio. Es posible medir el tiempo de la revolución de Io debido a los movimientos de la sombra entrante/saliente de Júpiter en intervalos regulares. Rømer observó que Io gira alrededor de Júpiter cada 42.5 horas cuando la Tierra esta mas cerca de Júpiter. También observó que, como la Tierra y Júpiter se mueven separándose, la salida de Io fuera de la proyeccion de la sombra comenzaría progresivamente mucho mas tarde de lo predicho.
Estaba claro que estas "señales" de salida tomaban mas tiempo en llegar a la Tierra, ya que la Tierra y Júpiter se separaban cada vez mas, como resultado del tiempo extra que le tomo a la luz en cruzar la distancia extra entre planetas, que se había acumulado en el intervalo entre una señal y otra. Similarmente, cerca de un año después, las entradas de Io en la proyección de la sombra ocurrieron mas frecuente, cuando la Tierra y Júpiter se acercaban uno a otro. En base de estas observaciones, Rømer estimo que le tomaría a la luz 22 minutos en cruzar el diámetro de la orbita de la Tierra (es decir, el doble de la unidad astronómica); los estimados modernos son mas cercanos a 16 minutos y 40 segundos.
Alrededor de la misma época, la unidad astronómica era estimada en cerca de 140 millones de kilómetros. La unidad astronómica y la estimación del tiempo de Rømer fueron combinados por Christian Huygens, quien estimaba la velocidad de la luz en 1000 Diámetros de la Tierra por minuto. Esto es cerca de 220.000 kilómetros por segundo (136.000 millas por segundo), muy por debajo del valor actualmente aceptado, pero aún así era mucho más rápido que cualquier otro fenómeno físico entonces conocido.
Isaac Newton también aceptó el concepto de velocidad finita. En su libro "Opticks", él de hecho, reporta el valor más preciso de 16 minutos por diámetro, el cual parece él dedujo por sí mismo (si fue a partir de los datos de Rømer, o de alguna otra manera, no se sabe). El mismo efecto fue subsecuentemente observado por Rømer en un "punto" rotando con la superficie de Júpiter. Y observaciones posteriores también mostraron el efecto con las otras tres lunas Galileas, donde era más difícil de observar, poniendo así un alto algunas otras objeciones que habían sido suscitadas.
Incluso si, 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 fue considerada como 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 orbita con la velocidad de la luz. Se observo esta llamada "aberración de la luz", estimándose en 1/200 de un grado. Bradley calculó la velocidad de la luz en alrededor de 185,000 millas por segundo (298,000 kilómetros por segundo). 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.
Diagrama del aparato de Fizeau-Foucault La primera 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 engrane 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 numero 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 kilómetros por segundo. El método de Fizeau fue refinado mas tarde por Marie Alfred Cornu (1872) y Joseph Perrotin (1900).
Leon Foucault mejoró el método de Fizeau al reemplazar el engrane con un espejo rotatorio. El estimado de Foucault, publicado en 1862, fue de 298,000 kilómetros por segundo. El método de Foucault también fue usado por Simon Newcomb y Albert A. Michelson. Michelson comenzó su larga carrera al replicar y mejorar el método de Foucault.
En 1926, Michelson utilizó espejos rotatorios para medir el tiempo que le tomaba a la luz en hacer un viaje redondo desde la Montaña Wilson a la Montaña San Antonio en California. Las medidas exactas rindieron una velocidad de 186,285 millas por segundo (299,796 kilómetros por segundo).
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 "ether", 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, un espejo con media cara plateada se utilizo para dividir un rayo de luz monocromática en dos rayos viajando en ángulos rectos respecto uno 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 mas 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 cambiaria la cantidad de tiempo gastado en su transito, que seria observado como un cambio en el patrón de interferencia. En el acontecimiento, el experimento dio un resultado nulo.
Ernst Mach estuvo entre los rimeros físicos que sugirieron que el experimento actualmente aportaba una refutación a la teoría del ether. 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 Albert Einstein sabía los resultados del experimento Michelson-Morley, pero el resultado nulo del experimento asistió en gran medida la aceptación de su teoría de relatividad. La teoría de Einstein no requirió un elemento etherico sino que era completamente consistente con el resultado nulo del experimento: el ether 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 causalidad y la equivalencia de los marcos de inercia) de la relatividad especial.
Veáse támbien
- Velocidad de la luz variable
- Luz
Referencias
Referencias historicas
- Ole Rømer. "Démonstration touchant le mouvement de la lumière", Journal des Sçavans, 7 Décembre 1676, pp. 223-236. Translated as "A Demonstration concerning the Motion of Light", Philosophical Transactions of the Royal Society no. 136, pp. 893-894; June 25, 1677. (Rømer's 1676 paper, in English and French, as bitmap images: [1], and in French as plain text: [2])
- Edmund Halley. "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", Philosophical Transactions XVIII, No. 214, pp 237–256, Nov.–Dec., 1694.
- H.L. Fizeau. "Sur une experience relative a la vitesse de propogation de la lumiere", Comptes Rendus 29, 90–92, 132, 1849.
- J.L. Foucault. "Determination experimentale de la vitesse de la lumiere: parallaxe du Soleil", Comptes Rendus 55, 501–503, 792–796, 1862.
- A.A. Michelson. "Experimental Determination of the Velocity of Light", Proceedings of the American Association for the Advancement of Science 27, 71–77, 1878.
- Simon Newcomb. "The Velocity of Light", Nature, pp 29–32, May 13, 1886.
- Joseph Perrotin. "Sur la vitesse de la lumiere", Comptes Rendus 131, 731–734, 1900.
- A.A. Michelson, F.G. Pease, and F. Pearson. "Measurement Of The Velocity Of Light In A Partial Vacuum", Astrophysical Journal 82, 26–61, 1935.
Referencias modernas
- John David Jackson. Classical electrodynamics. John Wiley & Sons, 2nd edition, 1975; 3rd edition, 1998. ISBN 047130932X
- Subhash Kak. The Speed of Light and Purāṇic Cosmology. In T.R.N. Rao and S. Kak, Computing Science in Ancient India, pages 80–90. USL Press, Lafayette, 1998. Available as e-print physics/9804020 en el arXiv.
- R.J. MacKay and R.W. Oldford. "Scientific Method, Statistical Method and the Speed of Light", Statistical Science 15(3):254–278, 2000. (Támbien disponible en-línea: [3])
Ligas externas
- Información sobre velocidad de la luz en:AstroMía.com
- Velocidad de la luz en:Maloka virtual
- Instituto Nacional de Astrofisíca, Óptica y Electrónica