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Articulo de referencia

Velocidad de la luz

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La velocidad de la luz en el vacío es una constante física universal denotada por c (en las normas ISO e IEC).do0{\displaystyle c_{0}}[ 4 ] ), exactamente igual a299 792 458  m⋅s −1 . [ 2 ] Es exacto porque, por acuerdo internacional, un metro se define como la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1 ⁄299 792 458 segundos. El valor de299 792 458 metros por segundo es aproximadamente 1000millones de kilómetros por hora; 700millones de millas por hora. Para otras aproximaciones de c válidas para diversas unidades y escalas de tamaño, consulte el cuadro informativo.  

Todas las formas de radiación electromagnética , incluida la luz visible , viajan en el vacío a la velocidad c, al igual que las partículas sin masa y las perturbaciones de campo , como las ondas gravitacionales . La velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los observadores , independientemente de su velocidad relativa. Como resultado, las partículas sin masa y las ondas viajan a c en el vacío, independientemente del movimiento de la fuente o del marco de referencia inercial del observador . La velocidad de la luz en el vacío es el límite superior para la velocidad a la que la información , la materia o la energía pueden viajar a través del espacio . [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Las partículas con masa en reposo distinta de cero pueden acelerarse para aproximarse a c, pero nunca pueden alcanzarla, independientemente del marco de referencia en el que se mida su velocidad.

Para distancias largas y mediciones sensibles, la velocidad finita de la luz tiene efectos notables. Gran parte de la luz estelar que observamos en la Tierra proviene de un pasado remoto, lo que permite a los humanos estudiar la historia del universo observando objetos distantes. Al comunicarse con sondas espaciales distantes , las señales pueden tardar horas en viajar. En informática , la velocidad de la luz determina el retardo mínimo de comunicación . La velocidad de la luz en el vacío se puede utilizar en mediciones de tiempo de vuelo para medir grandes distancias con una precisión extremadamente alta.

La forma abreviada, velocidad de la luz , significa velocidad de la luz en el vacío en cualquier contexto donde se implique el vacío. [ 4 ] Sin embargo, la velocidad a la que la luz se propaga a través de materiales transparentes , como el vidrio o el aire, es menor que c ; de manera similar, la velocidad de las ondas electromagnéticas alrededor de los cables (la velocidad de la electricidad ) es menor que c . La relación entre c y la velocidad v a la que viaja la luz en un material se llama índice de refracción n del material ( n = ⁠ c / v ⁠ ). Por ejemplo, para la luz visible, el índice de refracción del vidrio suele ser de alrededor de 1,5, lo que significa que la luz en el vidrio viaja a ⁠ c / 1,5 ⁠ ≈ 200 000 km/s ( 124 000 mi/s) ; El índice de refracción del aire para la luz visible es de aproximadamente 1,0003, por lo que la velocidad de la luz en el aire es aproximadamente 90 km/s (56 mi/s) más lenta que c .    

En el contexto de la relatividad, se puede usar la velocidad luminal . [ 4 ] En algunos casos, los objetos u ondas pueden parecer viajar más rápido que la luz , también llamada velocidad superlumínica. Los cálculos simplistas de la velocidad de galaxias distantes debido a la expansión del universo parecen exceder la velocidad de la luz, pero solo la velocidad local puede definirse de manera única. Ole Rømer demostró por primera vez que la luz no viaja instantáneamente al estudiar el movimiento aparente de la luna Io de Júpiter . En un artículo de 1865 , James Clerk Maxwell propuso que la luz era una onda electromagnética y, por lo tanto, viajaba a la velocidad c . [ 8 ] Albert Einstein postuló que la velocidad de la luz c con respecto a cualquier marco de referencia inercial es una constante y es independiente del movimiento de la fuente de luz. [ 9 ] Exploró las consecuencias de ese postulado al derivar la teoría de la relatividad , y así mostró que el parámetro c tenía relevancia fuera del contexto de la luz y el electromagnetismo . En la teoría de la relatividad, c interrelaciona el espacio y el tiempo y aparece en la famosa equivalencia masa-energía , E = mc² . [ 10 ]

Notación

La velocidad de la luz en el vacío se suele denotar con una c minúscula . El origen de la elección de la letra no está claro, y entre las conjeturas se incluyen "c" de "constante" o el latín celeritas (que significa "rapidez, celeridad"). [ 11 ] La "c" se usó para "celeridad" en el sentido de velocidad en libros de Leonhard Euler y otros, pero esta velocidad no era específicamente para la luz; Isaac Asimov escribió un artículo de divulgación científica, "C de Celeritas", pero no explicó el origen. [ 12 ] En 1856, Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch habían usado c para una constante diferente que más tarde se demostró que era igual a √ 2 veces la velocidad de la luz en el vacío. Históricamente, el símbolo V se usó como símbolo alternativo para la velocidad de la luz, introducido por James Clerk Maxwell en 1865. En 1903, Max Abraham usó c con su significado moderno en un libro de texto de electromagnetismo ampliamente leído. Einstein usó V en sus artículos originales en alemán sobre la relatividad especial en 1905 , pero en 1907 cambió a c , que para entonces se había convertido en el símbolo estándar para la velocidad de la luz. [ 13 ] [ 11 ]

A veces, c se usa para la velocidad de las ondas en cualquier medio material, y c₀ para la velocidad de la luz en el vacío. [ 14 ] Esta notación con subíndice, que está respaldada en la literatura oficial del SI, [ 15 ] tiene la misma forma que las constantes electromagnéticas relacionadas: a saber, μ₀ para la permeabilidad del vacío o constante magnética, ε₀ para la permitividad del vacío o constante eléctrica, y Z₀ para la impedancia del espacio libre . Este artículo usa c exclusivamente para la velocidad de la luz en el vacío.

En sistemas de unidades

La constante c se define en el Sistema Internacional de Unidades (SI) como exactamente299 792 458  m/s . Este valor fijo se utiliza para definir el metro como la distancia exacta que recorre la luz en el vacío en 1/4299 792 458 de segundo. El segundo, a su vez, se define como la duración del tiempo ocupado por9 192 631 770  ciclos de la radiación emitida por un átomo de cesio -133 en una transición entre dos estados de energía específicos . [ 16 ] Utilizando el valor fijo de c y una medición precisa del segundo, se define el valor del metro estándar. [ 17 ]

Antes de 1983, el metro se definía por separado del segundo y la velocidad de la luz se medía experimentalmente. El valor particular adoptado para la velocidad fija de la luz en el sistema de unidades actual se eligió para que coincidiera con las mejores mediciones disponibles antes de 1983. [ 16 ] [ 18 ] La definición actual del segundo se adoptó en 1967.

Como constante física dimensional , el valor numérico de c es diferente para distintos sistemas de unidades. Por ejemplo, en unidades imperiales , la velocidad de la luz es aproximadamente186 282 millas por segundo. Este valor difiere en menos del 2 % de mil millones de pies por segundo o un pie por nanosegundo. [ 19 ] La oficial naval y científica informática Grace Murray Hopper distribuyó cables de un pie de largo a sus colegas a finales de la década de 1960 para ilustrar visualmente la importancia de diseñar componentes más pequeños para aumentar la velocidad de computación. [ 20 ]

En las ramas de la física donde c aparece con frecuencia, como en la relatividad, es común usar sistemas de unidades de medida naturales o el sistema de unidades geometrizadas donde c = 1. [ 21 ] [ 22 ] Al usar estas unidades, c no aparece explícitamente porque la multiplicación o división por  1 no afecta el resultado. Su unidad de segundo luz por segundo sigue siendo relevante, incluso si se omite.

Papel fundamental en la física

La velocidad a la que se propagan las ondas de luz en el vacío es independiente tanto del movimiento de la fuente de la onda como del sistema de referencia inercial del observador. Esta invariancia de la velocidad de la luz fue postulada por Einstein en 1905, [ 9 ] motivado por la teoría del electromagnetismo de Maxwell y la falta de evidencia de movimiento contra el éter luminífero . [ 23 ] Experimentos como el experimento de Kennedy-Thorndike y el experimento de Ives-Stilwell han demostrado que este postulado coincide con las observaciones experimentales. [ 24 ]

La teoría especial de la relatividad explora las consecuencias de esta invariancia de c con la suposición de que las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales. [ 25 ] [ 26 ] Una consecuencia es que c es la velocidad a la que todas las partículas y ondas sin masa, incluida la luz, deben viajar en el vacío. [ 27 ]

γ comienza en 1 cuando v es igual a cero y permanece casi constante para valores pequeños de v, luego se curva bruscamente hacia arriba y tiene una asíntota vertical, divergiendo hacia el infinito positivo a medida que v se acerca a c.
El factor de Lorentz γ en función de la velocidad. Comienza en  1 y tiende a infinito a medida que v se aproxima a c . 

La relatividad especial tiene muchas implicaciones contraintuitivas y verificadas experimentalmente. [ 28 ] Estas incluyen la equivalencia de masa y energía ( E = mc 2 ), la contracción de la longitud (los objetos en movimiento se acortan), la rotación de Terrell (rotación aparente), [ 29 ] [ 30 ] y la dilatación del tiempo (los relojes en movimiento funcionan más lentamente). El factor γ por el cual las longitudes se contraen y los tiempos se dilatan se conoce como factor de Lorentz y está dado por γ = (1 − v 2 / c 2 ) −1/2 , donde v es la velocidad del objeto. La diferencia de γ con respecto a 1 es despreciable para velocidades mucho más lentas que c , como la mayoría de las velocidades cotidianas –en cuyo caso la relatividad especial se aproxima mucho a la relatividad galileana– pero aumenta a velocidades relativistas y diverge al infinito a medida que v se acerca a c . Por ejemplo, un factor de dilatación del tiempo de γ = 2 ocurre a una velocidad relativa del 86,6% de la velocidad de la luz ( v = 0,866 c ). De manera similar, un factor de dilatación del tiempo de γ = 10 ocurre al 99,5% de la velocidad de la luz ( v = 0,995 c ).     

Los resultados de la relatividad especial se pueden resumir tratando el espacio y el tiempo como una estructura unificada conocida como espaciotiempo (con c relacionando las unidades de espacio y tiempo), y exigiendo que las teorías físicas satisfagan una simetría especial llamada invariancia de Lorentz , cuya formulación matemática contiene el parámetro c . [ 31 ] La invariancia de Lorentz es una suposición casi universal para las teorías físicas modernas, como la electrodinámica cuántica , la cromodinámica cuántica , el Modelo Estándar de la física de partículas y la relatividad general . Como tal, el parámetro c es omnipresente en la física moderna, apareciendo en muchos contextos que no están relacionados con la luz. Por ejemplo, la relatividad general predice que c también es la velocidad de la gravedad y de las ondas gravitacionales , [ 32 ] y las observaciones de ondas gravitacionales han sido consistentes con esta predicción. [ 33 ] En sistemas de referencia no inerciales (espaciotiempo curvado gravitacionalmente o sistemas de referencia acelerados ), la velocidad local de la luz es constante e igual a c , pero la velocidad de la luz puede diferir de c cuando se mide desde un sistema de referencia remoto, dependiendo de cómo se extrapolan las mediciones a la región. [ 34 ]      

Generalmente se asume que las constantes fundamentales como c tienen el mismo valor en todo el espacio-tiempo, lo que significa que no dependen de la ubicación ni varían con el tiempo. Sin embargo, diversas teorías han sugerido que la velocidad de la luz podría haber cambiado con el tiempo . [ 35 ] [ 36 ] No se ha encontrado evidencia concluyente de tales cambios, pero siguen siendo objeto de investigación. [ 37 ] [ 38 ] 

Generalmente se asume que la velocidad bidireccional de la luz es isotrópica , lo que significa que tiene el mismo valor independientemente de la dirección en la que se mida. Las observaciones de las emisiones de los niveles de energía nuclear en función de la orientación de los núcleos emisores en un campo magnético (véase el experimento de Hughes-Drever ) y de resonadores ópticos giratorios (véase Experimentos con resonadores ) han impuesto límites estrictos a la posible anisotropía bidireccional . [ 39 ] [ 40 ]

Límite máximo de velocidad

Un objeto con masa en reposo m y velocidad v relativa a un laboratorio tiene energía cinética ( γ − 1) mc² con respecto a ese laboratorio, donde γ es el factor de Lorentz definido anteriormente. El factor γ tiende a infinito cuando v tiende a c , y se necesitaría una cantidad infinita de energía para acelerar un objeto con masa a la velocidad de la luz. [ 41 ] : 13.3 La velocidad de la luz es el límite superior para las velocidades de los objetos con masa en reposo positiva. El análisis de fotones individuales confirma que la información no puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. [ 42 ] [ 43 ] Esto se establece experimentalmente en muchas pruebas de energía y momento relativistas . [ 44 ] 

Se representan tres pares de ejes de coordenadas con el mismo origen A; en el recuadro verde, el eje x es horizontal y el eje ct es vertical; en el recuadro rojo, el eje x′ está ligeramente inclinado hacia arriba y el eje ct′ ligeramente inclinado hacia la derecha, en relación con los ejes verdes; en el recuadro azul, el eje x″ está ligeramente inclinado hacia abajo y el eje ct″ ligeramente inclinado hacia la izquierda, en relación con los ejes verdes. Un punto B en el eje x verde, a la izquierda de A, tiene ct cero, ct′ positivo y ct″ negativo.
En el recuadro rojo, el evento A precede a B; en el recuadro verde, es simultáneo a B; y en el recuadro azul, sigue a B.    

En términos más generales, es imposible que las señales o la energía viajen más rápido que c . Un argumento a favor de esto se conoce como causalidad . Si la distancia espacial entre dos eventos A y B es mayor que el intervalo de tiempo entre ellos multiplicado por c, entonces existen marcos de referencia en los que A precede a B , otros en los que B precede a A , y otros en los que son simultáneos. Como resultado, si algo viajara más rápido que c con respecto a un marco de referencia inercial, estaría viajando hacia atrás en el tiempo con respecto a otro marco, y se violaría la causalidad. [ 45 ] : 497 [ 46 ] [ 47 ] En tal marco de referencia, un "efecto" podría observarse antes que su "causa". Tal violación de la causalidad nunca se ha registrado, [ 48 ] y daría lugar a paradojas como el antiteléfono taquiónico . [ 49 ]         

En algunos tratamientos teóricos, el efecto Scharnhorst permite que las señales viajen más rápido que c , en una parte en 10 36 . [ 50 ] Sin embargo, otros enfoques de la misma configuración física no muestran tal efecto. [ 51 ] y parece que las condiciones especiales en las que este efecto podría ocurrir impedirían usarlo para violar la causalidad. 

Velocidad unidireccional de la luz

Solo es posible verificar experimentalmente que la velocidad de la luz en ambas direcciones (por ejemplo, de una fuente a un espejo y viceversa) es independiente del sistema de referencia, ya que es imposible medir la velocidad de la luz en una sola dirección (por ejemplo, de una fuente a un detector distante) sin alguna convención sobre cómo deben sincronizarse los relojes de la fuente y del detector. Al adoptar la sincronización de Einstein para los relojes, la velocidad de la luz en una sola dirección se vuelve igual a la velocidad de la luz en ambas direcciones por definición. [ 52 ] [ 48 ]

Observaciones y experimentos a velocidades superiores a la de la luz

Existen situaciones en las que puede parecer que la materia, la energía o la señal portadora de información viajan a velocidades mayores que c , pero no es así. Por ejemplo, como se analiza en la sección sobre la propagación de la luz en un medio que se presenta más adelante, muchas velocidades de onda pueden superar c . La velocidad de fase de los rayos X a través de la mayoría de los vidrios puede superar habitualmente c , [ 53 ] pero la velocidad de fase no determina la velocidad a la que las ondas transmiten información. [ 54 ]  

Si un rayo láser barre rápidamente un objeto distante, el punto de luz puede moverse más rápido que c , aunque el movimiento inicial del punto se retrasa debido al tiempo que tarda la luz en llegar al objeto distante a la velocidad c . Sin embargo, las únicas entidades físicas que se mueven son el láser y la luz que emite, la cual viaja a la velocidad c desde el láser hasta las distintas posiciones del punto. De manera similar, una sombra proyectada sobre un objeto distante puede moverse más rápido que c , después de un retraso en el tiempo. [ 55 ] En ninguno de los casos la materia, la energía o la información viajan más rápido que la luz. [ 56 ]    

La tasa de cambio en la distancia entre dos objetos en un sistema de referencia con respecto al cual ambos se mueven (su velocidad de aproximación ) puede tener un valor superior a c . Sin embargo, esto no representa la velocidad de ningún objeto individual medida en un único sistema de referencia inercial. [ 56 ] 

Ciertos efectos cuánticos parecen transmitirse instantáneamente y, por lo tanto, más rápido que c , como en la paradoja EPR . Un ejemplo involucra los estados cuánticos de dos partículas que pueden estar entrelazadas . Hasta que se observa cualquiera de las partículas, existen en una superposición de dos estados cuánticos. Si las partículas se separan y se observa el estado cuántico de una partícula, el estado cuántico de la otra se determina instantáneamente. Sin embargo, es imposible controlar qué estado cuántico adoptará la primera partícula al ser observada, por lo que la información no puede transmitirse de esta manera. [ 56 ] [ 57 ]

Otro efecto cuántico que predice la ocurrencia de velocidades superiores a la de la luz se denomina efecto Hartman : bajo ciertas condiciones, el tiempo necesario para que una partícula virtual atraviese una barrera por efecto túnel es constante, independientemente del grosor de la barrera. [ 58 ] [ 59 ] Esto podría resultar en que una partícula virtual cruce una gran brecha más rápido que la luz. Sin embargo, no se puede enviar información utilizando este efecto. [ 60 ]

El llamado movimiento superlumínico se observa en ciertos objetos astronómicos, [ 61 ] como los chorros relativistas de radiogalaxias y cuásares . Sin embargo, estos chorros no se mueven a velocidades superiores a la de la luz: el aparente movimiento superlumínico es un efecto de proyección causado por objetos que se mueven cerca de la velocidad de la luz y se aproximan a la Tierra con un ángulo pequeño respecto a la línea de visión: dado que la luz emitida cuando el chorro estaba más lejos tardó más en llegar a la Tierra, el tiempo entre dos observaciones sucesivas corresponde a un tiempo mayor entre los instantes en que se emitieron los rayos de luz. [ 62 ]

Un experimento de 2011 en el que se observó que los neutrinos viajaban más rápido que la luz resultó ser debido a un error experimental. [ 63 ] [ 64 ]

En los modelos del universo en expansión , cuanto más lejos están las galaxias entre sí, más rápido se alejan. Por ejemplo, se infiere que las galaxias alejadas de la Tierra se mueven a velocidades proporcionales a sus distancias. Más allá de un límite llamado esfera de Hubble , la tasa a la que aumenta su distancia de la Tierra se vuelve mayor que la velocidad de la luz. [ 65 ] Estas tasas de recesión, definidas como el aumento de la distancia propia por tiempo cosmológico , no son velocidades en un sentido relativista. Las velocidades de recesión cosmológica más rápidas que la luz son solo un artefacto de coordenadas .

Propagación de la luz

En física clásica , la luz se describe como un tipo de onda electromagnética . El comportamiento clásico del campo electromagnético se describe mediante las ecuaciones de Maxwell , que predicen que la velocidad c con la que las ondas electromagnéticas (como la luz) se propagan en el vacío está relacionada con la capacitancia e inductancia distribuidas del vacío, conocidas respectivamente como la constante eléctrica ε 0 y la constante magnética μ 0 , mediante la ecuación [ 66 ]. do=1ε0μ0.{\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _ {0}\mu _ {0}}}}.}

En la física cuántica moderna , el campo electromagnético se describe mediante la teoría de la electrodinámica cuántica (QED). En esta teoría, la luz se describe mediante las excitaciones fundamentales (o cuantos) del campo electromagnético, llamadas fotones . En QED, los fotones son partículas sin masa y, por lo tanto, según la relatividad especial, viajan a la velocidad de la luz en el vacío. [ 27 ]

Se han considerado extensiones de la electrodinámica cuántica (QED) en las que el fotón tiene masa. En dicha teoría, su velocidad dependería de su frecuencia, y la velocidad invariante c de la relatividad especial sería entonces el límite superior de la velocidad de la luz en el vacío. [ 34 ] No se ha observado variación de la velocidad de la luz con la frecuencia en pruebas rigurosas, lo que impone límites estrictos a la masa del fotón. [ 67 ] El límite obtenido depende del modelo utilizado: si el fotón masivo se describe mediante la teoría de Proca , [ 68 ] el límite superior experimental para su masa es de aproximadamente × 10 −57 gramos ; [ 69 ] si la masa del fotón se genera mediante un mecanismo de Higgs , el límite superior experimental es menos preciso, m ≤ 10 −14 eV/ c 2  (aproximadamente2 × 10 −47  g ). [ 68 ]

Otra razón para que la velocidad de la luz varíe con su frecuencia sería el fracaso de la relatividad especial para aplicarse a escalas arbitrariamente pequeñas, como predicen algunas teorías propuestas de gravedad cuántica . En 2009, la observación del estallido de rayos gamma GRB 090510 no encontró evidencia de una dependencia de la velocidad del fotón con la energía, lo que respalda las estrictas restricciones en modelos específicos de cuantización del espaciotiempo sobre cómo esta velocidad se ve afectada por la energía del fotón para energías cercanas a la escala de Planck . [ 70 ]

En un medio

En un medio, la luz generalmente no se propaga a una velocidad igual a c ; además, los distintos tipos de ondas luminosas viajan a velocidades diferentes. La velocidad a la que se propagan las crestas y los valles individuales de una onda plana (una onda que llena todo el espacio, con una sola frecuencia ) se denomina velocidad de fase v p . Una señal física de extensión finita (un pulso de luz) viaja a una velocidad diferente. La envolvente general del pulso viaja a la velocidad de grupo v g , y su parte inicial viaja a la velocidad de frente v f . [ 71 ]   

Una onda modulada se desplaza de izquierda a derecha. Hay tres puntos marcados con un punto: un punto azul en un nodo de la onda portadora, un punto verde en el máximo de la envolvente y un punto rojo en el inicio de la envolvente.
El punto azul se mueve a la velocidad de las ondulaciones, la velocidad de fase; el punto verde se mueve a la velocidad de la envolvente, la velocidad de grupo; y el punto rojo se mueve a la velocidad de la parte más adelantada del pulso, la velocidad frontal.

La velocidad de fase es importante para determinar cómo viaja una onda de luz a través de un material o de un material a otro. A menudo se representa en términos de un índice de refracción . El índice de refracción de un material se define como la relación entre c y la velocidad de fase v p en el material: índices de refracción mayores indican velocidades menores. El índice de refracción de un material puede depender de la frecuencia, intensidad, polarización o dirección de propagación de la luz ; sin embargo, en muchos casos, puede tratarse como una constante que depende del material. El índice de refracción del aire es aproximadamente 1,0003. [ 72 ] Los medios más densos, como el agua , [ 73 ] el vidrio , [ 74 ] y el diamante , [ 75 ] tienen índices de refracción de alrededor de 1,3, 1,5 y 2,4, respectivamente, para la luz visible. 

En materiales exóticos como los condensados ​​de Bose-Einstein cerca del cero absoluto , la velocidad efectiva de la luz puede ser de tan solo unos pocos metros por segundo. Sin embargo, esto representa el retardo de absorción y reemisión entre átomos, al igual que todas las velocidades inferiores a c en sustancias materiales. Como ejemplo extremo de la "ralentización" de la luz en la materia, dos equipos independientes de físicos afirmaron haber detenido la luz por completo al hacerla pasar a través de un condensado de Bose-Einstein del elemento rubidio . La descripción popular de la "detención" de la luz en estos experimentos se refiere únicamente a que la luz se almacena en los estados excitados de los átomos y luego se reemite en un momento arbitrariamente posterior, estimulada por un segundo pulso láser. Durante el tiempo en que estuvo "detenida", dejó de ser luz. Este tipo de comportamiento es generalmente cierto a nivel microscópico en todos los medios transparentes que "ralentizan" la velocidad de la luz. [ 76 ]

En materiales transparentes, el índice de refracción generalmente es mayor que 1, lo que significa que la velocidad de fase es menor que c . En otros materiales, es posible que el índice de refracción sea menor que  1 para algunas frecuencias; en algunos materiales exóticos, incluso es posible que el índice de refracción sea negativo. [ 77 ] El requisito de que no se viole la causalidad implica que las partes real e imaginaria de la constante dieléctrica de cualquier material, que corresponden respectivamente al índice de refracción y al coeficiente de atenuación , están vinculadas por las relaciones de Kramers-Kronig . [ 78 ] [ 79 ] En términos prácticos, esto significa que en un material con un índice de refracción menor que 1, la onda se absorberá rápidamente. [ 80 ]

Un pulso con diferentes velocidades de grupo y de fase (lo que ocurre si la velocidad de fase no es la misma para todas las frecuencias del pulso) se difumina con el tiempo, un proceso conocido como dispersión . Ciertos materiales tienen una velocidad de grupo excepcionalmente baja (o incluso cero) para las ondas de luz, un fenómeno llamado luz lenta . [ 81 ] Lo opuesto, velocidades de grupo que superan c , se propuso teóricamente en 1993 y se logró experimentalmente en 2000. [ 82 ] Incluso debería ser posible que la velocidad de grupo se vuelva infinita o negativa, con pulsos que viajan instantáneamente o hacia atrás en el tiempo. [ 71 ]

Ninguna de estas opciones permite transmitir información más rápido que c . Es imposible transmitir información con un pulso de luz más rápido que la velocidad de la parte inicial del pulso (la velocidad del frente). Se puede demostrar que esta es (bajo ciertas suposiciones) siempre igual a c . [ 71 ]

Es posible que una partícula viaje a través de un medio más rápido que la velocidad de fase de la luz en ese medio (pero aún más lento que c ). Cuando una partícula cargada hace eso en un material dieléctrico , se emite el equivalente electromagnético de una onda de choque , conocida como radiación Cherenkov . [ 83 ]

Efectos prácticos de la finitud

La velocidad de la luz es relevante para las telecomunicaciones : el tiempo de retardo tanto en un viaje de ida como de ida y vuelta es mayor que cero. Esto se aplica desde escalas pequeñas hasta astronómicas. Por otro lado, algunas técnicas dependen de la velocidad finita de la luz, por ejemplo, en las mediciones de distancia.

Pequeñas escalas

En las computadoras , la velocidad de la luz impone un límite a la rapidez con la que se pueden enviar datos entre procesadores . Si un procesador opera aA 1 gigahercio  , una señal solo puede viajar un máximo de unos 30 centímetros (1 pie) en un solo ciclo de reloj ; en la práctica, esta distancia es incluso menor, ya que la placa de circuito impreso refracta y ralentiza las señales. Por lo tanto, los procesadores deben colocarse cerca unos de otros, al igual que los chips de memoria , para minimizar las latencias de comunicación, y se debe tener cuidado al tender los cables entre ellos para garantizar la integridad de la señal . Si las frecuencias de reloj siguen aumentando, la velocidad de la luz podría convertirse en un factor limitante para el diseño interno de los chips individuales . [ 84 ] [ 85 ]  

Grandes distancias en la Tierra

Representación acústica de la velocidad de la luz: en el intervalo entre pitidos, la luz recorre la circunferencia de la Tierra a la altura del ecuador.

Dado que la circunferencia ecuatorial de la Tierra es aproximadamente40 075  km y que c es aproximadamenteA 300 000  km/s , el tiempo teórico más corto para que una información recorra la mitad del globo a lo largo de la superficie es de aproximadamente 67 milisegundos. Cuando la luz viaja en fibra óptica (un material transparente ), el tiempo de tránsito real es mayor, en parte porque la velocidad de la luz es aproximadamente un 35 % menor en la fibra óptica con un índice de refracción n de alrededor de 1,52. [ 86 ] Las líneas rectas son raras en las comunicaciones globales y el tiempo de viaje aumenta cuando las señales pasan por conmutadores electrónicos o regeneradores de señal. [ 87 ]

Aunque esta distancia es en gran medida irrelevante para la mayoría de las aplicaciones, la latencia cobra importancia en campos como el trading de alta frecuencia , donde los operadores buscan obtener ventajas mínimas al enviar sus operaciones a las bolsas fracciones de segundo antes que otros operadores. Por ejemplo, los operadores han estado cambiando a comunicaciones por microondas entre centros de negociación, debido a la ventaja que tienen las ondas de radio que viajan a una velocidad cercana a la de la luz a través del aire sobre las señales de fibra óptica comparativamente más lentas . [ 88 ] [ 89 ]

Vuelos espaciales y astronomía

El diámetro de la Luna es aproximadamente una cuarta parte del de la Tierra, y la distancia entre ambos es aproximadamente treinta veces el diámetro de la Tierra. Un rayo de luz parte de la Tierra y llega a la Luna en aproximadamente un segundo y cuarto.
Se muestra un haz de luz viajando entre la Tierra y la Luna en el tiempo que tarda un pulso de luz en recorrer la distancia entre ellas: 1,255 segundos a su distancia orbital media (de superficie a superficie). Los tamaños relativos y la separación del sistema Tierra-Luna se muestran a escala.

De igual modo, las comunicaciones entre la Tierra y las naves espaciales no son instantáneas. Existe un breve retraso entre la fuente y el receptor, que se hace más perceptible a medida que aumenta la distancia. Este retraso fue significativo para las comunicaciones entre el control terrestre y el Apolo 8 cuando se convirtió en la primera nave espacial tripulada en orbitar la Luna : por cada pregunta, la estación de control terrestre tenía que esperar al menos tres  segundos para recibir la respuesta. [ 90 ]

El retardo en las comunicaciones entre la Tierra y Marte puede variar entre cinco y veinte minutos, dependiendo de la posición relativa de ambos planetas. En consecuencia, si un robot en la superficie de Marte encontrara un problema, sus operadores humanos no se percatarían hasta aproximadamente 4 a 24 minutos después. Posteriormente, las órdenes tardarían otros 4 a 24 minutos en viajar de la Tierra a Marte. [ 91 ] [ 92 ]

Recibir luz y otras señales de fuentes astronómicas distantes lleva mucho más tiempo. Por ejemplo, se necesitan 13  mil millones (13 × 109 ) años para que la luz viaje a la Tierra desde las galaxias lejanas observadas en lasimágenes del Campo Ultraprofundo del Hubble . [ 93 ] [ 94 ] Esas fotografías, tomadas hoy, capturan imágenes de las galaxias tal como aparecían hace 13 mil millones de años, cuando el universo tenía menos de mil millones de años. [ 93 ] El hecho de que los objetos más distantes parezcan más jóvenes, debido a la velocidad finita de la luz, permite a los astrónomos inferir la evolución de las estrellas , de las galaxias y del universo mismo. [ 95 ]

Las distancias astronómicas a veces se expresan en años luz , especialmente en publicaciones y medios de divulgación científica . [ 96 ] Un año luz es la distancia que recorre la luz en un año juliano , aproximadamente 9461  mil millones de kilómetros, 5879  mil millones de millas o 0,3066 pársecs . En cifras redondas, un año luz equivale a casi 10 billones de kilómetros o casi 6 billones de millas. Proxima Centauri , la estrella más cercana a la Tierra después del Sol, se encuentra a unos 4,2 años luz de distancia. [ 97 ]   

Medición de distancias

Los sistemas de radar miden la distancia a un objetivo por el tiempo que tarda un pulso de onda de radio en regresar a la antena del radar después de ser reflejado por el objetivo: la distancia al objetivo es la mitad del tiempo de tránsito de ida y vuelta multiplicado por la velocidad de la luz. Un receptor del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) mide su distancia a los satélites GPS en función del tiempo que tarda una señal de radio en llegar desde cada satélite, y a partir de estas distancias calcula la posición del receptor. Debido a que la luz viaja aproximadamente300 000  kilómetros (186 000  millas ) en un segundo, estas mediciones de pequeñas fracciones de segundo deben ser muy precisas. El experimento Lunar Laser Ranging , la astronomía de radar y la Deep Space Network determinan distancias a la Luna, [ 98 ] planetas [ 99 ] y naves espaciales, [ 100 ] respectivamente, midiendo tiempos de tránsito de ida y vuelta.

Determinación

Existen diferentes maneras de determinar el valor de c . Una de ellas consiste en medir directamente la velocidad de propagación de las ondas de luz, lo cual puede realizarse en diversos sistemas astronómicos y terrestres. También es posible determinar c a partir de otras leyes físicas en las que aparece, por ejemplo, calculando los valores de las constantes electromagnéticas ε₀ y μ₀ y utilizando su relación con c . Históricamente, los resultados más precisos se han obtenido determinando por separado la frecuencia y la longitud de onda de un haz de luz, cuyo producto es igual a c . Esto se describe con más detalle en la sección "Interferometría" que aparece a continuación.

En 1983 , el metro se definió como "la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/2299 792 458 de segundo", [ 101 ] fijando el valor de la velocidad de la luz en299 792 458  m/s por definición, como se describe a continuación . En consecuencia, las mediciones precisas de la velocidad de la luz producen una realización precisa del metro en lugar de un valor preciso de c .

Mediciones astronómicas

Medición de la velocidad de la luz a partir del tiempo que tarda Io en orbitar Júpiter, utilizando los eclipses de Io provocados por la sombra de Júpiter para medir con precisión su órbita.

El espacio exterior es un entorno idóneo para medir la velocidad de la luz debido a su gran escala y su vacío casi perfecto . Normalmente, se mide el tiempo que tarda la luz en recorrer una distancia de referencia en el Sistema Solar , como el radio de la órbita terrestre. Históricamente, estas mediciones se podían realizar con bastante precisión, en comparación con la exactitud con la que se conoce la longitud de la distancia de referencia en unidades terrestres.

Ole Rømer utilizó una medición astronómica para realizar la primera estimación cuantitativa de la velocidad de la luz en el año 1676. [ 102 ] [ 103 ] Cuando se miden desde la Tierra, los períodos de las lunas que orbitan un planeta distante son más cortos cuando la Tierra se acerca al planeta que cuando se aleja de él. La diferencia es pequeña, pero el tiempo acumulado se vuelve significativo cuando se mide durante meses. La distancia que recorre la luz desde el planeta (o su luna) hasta la Tierra es menor cuando la Tierra se encuentra en el punto de su órbita más cercano a su planeta que cuando se encuentra en el punto más lejano de su órbita; la diferencia de distancia es el diámetro de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. El cambio observado en el período orbital de la luna se debe a la diferencia en el tiempo que tarda la luz en recorrer la distancia más corta o más larga. Rømer observó este efecto para Io, la luna mayor más interna de Júpiter , y dedujo que la luz tarda 22 minutos en cruzar el diámetro de la órbita de la Tierra. [ 102 ]

Una estrella emite un rayo de luz que incide en el objetivo de un telescopio. Mientras la luz viaja a través del telescopio hasta el ocular, este se desplaza hacia la derecha. Para que la luz permanezca dentro del telescopio, este debe inclinarse hacia la derecha, lo que provoca que la fuente distante aparezca en una posición diferente a la derecha.
Aberración de la luz: la luz procedente de una fuente distante parece provenir de un lugar diferente para un telescopio en movimiento debido a la velocidad finita de la luz.

Otro método consiste en utilizar la aberración de la luz , descubierta y explicada por James Bradley en el siglo XVIII. [ 104 ] Este efecto resulta de la suma vectorial de la velocidad de la luz que llega desde una fuente distante (como una estrella) y la velocidad de su observador (véase el diagrama de la derecha). Un observador en movimiento ve así la luz que viene de una dirección ligeramente diferente y, en consecuencia, ve la fuente en una posición desplazada de su posición original. Dado que la dirección de la velocidad de la Tierra cambia continuamente a medida que la Tierra orbita alrededor del Sol, este efecto provoca que la posición aparente de las estrellas se mueva. A partir de la diferencia angular en la posición de las estrellas (máximo 20,5 segundos de arco ) [ 105 ] es posible expresar la velocidad de la luz en términos de la velocidad de la Tierra alrededor del Sol, que con la duración conocida de un año se puede convertir en el tiempo necesario para viajar del Sol a la Tierra. En 1729, Bradley utilizó este método para deducir que la luz viajaba10 210 veces más rápido que la Tierra en su órbita (la cifra moderna es10 066 veces más rápido) o, equivalentemente, que la luz tardaría 8  minutos y 12  segundos en viajar del Sol a la Tierra. [ 104 ]

Unidad astronómica

Históricamente, la velocidad de la luz se utilizó junto con mediciones de tiempo para determinar un valor para la unidad astronómica (UA). [ 106 ] La unidad astronómica se redefinió en 2012 como exactamente149 597 870 700  m . [ 107 ] [ 108 ] Esta redefinición es análoga a la del metro y, asimismo, tiene el efecto de fijar la velocidad de la luz a un valor exacto en unidades astronómicas por segundo (a través de la velocidad exacta de la luz en metros por segundo). [ 109 ]

Técnicas de tiempo de vuelo

Una de las últimas y más precisas mediciones del tiempo de vuelo, el experimento de Michelson, Pease y Pearson entre 1930 y 1935, utilizó un espejo giratorio y una cámara de vacío de 1,6  km de longitud que el haz de luz atravesó 10 veces. Logró una precisión de ±11  km/s.
Un rayo de luz pasa horizontalmente a través de un semiespejo y una rueda dentada giratoria, se refleja en un espejo, pasa a través de la rueda dentada y se refleja en el semiespejo hacia un monocular.
Diagrama del aparato de Fizeau :
  1. fuente de luz
  2. Espejo semitransparente divisor de haz
  3. Romperruedas dentado del haz de luz
  4. Espejo remoto
  5. Tubo telescópico

Un método para medir la velocidad de la luz consiste en medir el tiempo que tarda la luz en viajar hasta un espejo situado a una distancia conocida y regresar. Este es el principio de funcionamiento de los experimentos de Hippolyte Fizeau y Léon Foucault .

El montaje utilizado por Fizeau consiste en un haz de luz dirigido hacia un espejo situado a 8 kilómetros (5 millas) de distancia. En su trayecto desde la fuente hasta el espejo, el haz atraviesa una rueda dentada giratoria. A una determinada velocidad de rotación, el haz pasa por una abertura a la ida y por otra a la vuelta, pero a velocidades ligeramente superiores o inferiores, el haz choca contra un diente y no atraviesa la rueda. Conociendo la distancia entre la rueda y el espejo, el número de dientes de la rueda y la velocidad de rotación, se puede calcular la velocidad de la luz. [ 110 ] 

El método de Foucault sustituye la rueda dentada por un espejo giratorio. Dado que el espejo sigue girando mientras la luz viaja hacia el espejo distante y regresa, la luz se refleja en el espejo giratorio con un ángulo diferente al salir que al regresar. A partir de esta diferencia de ángulo, la velocidad de rotación conocida y la distancia al espejo distante, se puede calcular la velocidad de la luz. [ 111 ] Foucault utilizó este aparato para medir la velocidad de la luz en el aire y en el agua, basándose en una sugerencia de François Arago . [ 112 ]

Hoy en día, utilizando osciloscopios con resoluciones temporales inferiores a un nanosegundo, la velocidad de la luz se puede medir directamente cronometrando el retardo de un pulso de luz de un láser o un LED reflejado en un espejo. Este método es menos preciso (con errores del orden del 1 %) que otras técnicas modernas, pero a veces se utiliza como experimento de laboratorio en clases de física universitaria. [ 113 ]

Constantes electromagnéticas

Una opción para derivar c que no depende directamente de una medición de la propagación de ondas electromagnéticas es utilizar la relación entre c y la permitividad del vacío ε₀ y la permeabilidad del vacío μ₀ establecida por la teoría de Maxwell: c² = 1/( ε₀μ₀ ) . La permitividad del vacío se puede determinar midiendo la capacitancia y las dimensiones de un capacitor , mientras que el valor de la permeabilidad del vacío se fijó históricamente en exactamente4 π × 10 −7  H ⋅ m −1 a través de la definición del amperio . Rosa y Dorsey utilizaron este método en 1907 para hallar un valor de299 710 ± 22  km/s . Su método dependía de tener una unidad estándar de resistencia eléctrica, el " ohm internacional ", por lo que su precisión estaba limitada por cómo se definía este estándar. [ 114 ] [ 115 ]

Resonancia de cavidad

Una caja con tres ondas en su interior; hay una longitud de onda y media de la onda superior, una de la onda del medio y la mitad de la onda inferior.
Ondas estacionarias electromagnéticas en una cavidad

Otra forma de medir la velocidad de la luz es medir independientemente la frecuencia f y la longitud de onda λ de una onda electromagnética en el vacío. El valor de c se puede encontrar entonces usando la relación c = λf . Una opción es medir la frecuencia de resonancia de un resonador de cavidad . Si también se conocen las dimensiones de la cavidad de resonancia, estas se pueden usar para determinar la longitud de onda de la onda. En 1946, Louis Essen y AC Gordon-Smith establecieron la frecuencia para una variedad de modos normales de microondas de una cavidad de microondas de dimensiones conocidas con precisión. Las dimensiones se establecieron con una precisión de aproximadamente ±0,8  μm usando calibres calibrados por interferometría. [ 114 ] Como la longitud de onda de los modos era conocida a partir de la geometría de la cavidad y de la teoría electromagnética , el conocimiento de las frecuencias asociadas permitió un cálculo de la velocidad de la luz. [ 114 ] [ 116 ]

El resultado de Essen-Gordon-Smith,299 792 ± 9  km/s , fue sustancialmente más preciso que los encontrados por técnicas ópticas. [ 114 ] Para 1950, las mediciones repetidas de Essen establecieron un resultado de299 792,5 ± 3,0 km  /s . [ 117 ]

Es posible realizar una demostración casera de esta técnica utilizando un horno microondas y alimentos como malvaviscos o margarina: si se retira el plato giratorio para que el alimento no se mueva, se cocinará más rápido en los antinodos (los puntos donde la amplitud de la onda es mayor), donde comenzará a derretirse. La distancia entre dos de estos puntos es la mitad de la longitud de onda de las microondas; midiendo esta distancia y multiplicando la longitud de onda por la frecuencia de las microondas (generalmente indicada en la parte posterior del horno, por ejemplo,2450  MHz ), el valor de c se puede calcular, "a menudo con menos del 5% de error". [ 118 ] [ 119 ]

Interferometría

Esquema del funcionamiento de un interferómetro de Michelson.
Determinación interferométrica de la longitud. Izquierda: interferencia constructiva ; Derecha: interferencia destructiva .

La interferometría es otro método para encontrar la longitud de onda de la radiación electromagnética para determinar la velocidad de la luz. [ 120 ] Un haz de luz coherente (por ejemplo, de un láser ), con una frecuencia conocida f , se divide para seguir dos caminos y luego se recombina. Ajustando la longitud del camino mientras se observa el patrón de interferencia y se mide cuidadosamente el cambio en la longitud del camino, se puede determinar la longitud de onda de la luz λ . La velocidad de la luz se calcula entonces usando la ecuación c = λf .

Antes del advenimiento de la tecnología láser, se utilizaban fuentes de radio coherentes para mediciones interferométricas de la velocidad de la luz. [ 121 ] La determinación interferométrica de la longitud de onda se vuelve menos precisa con la longitud de onda, por lo que los experimentos se veían limitados en precisión por la gran longitud de onda (~ 4 mm [0,16 pulg] ) de las ondas de radio. La precisión puede mejorarse utilizando luz con una longitud de onda más corta, pero entonces resulta difícil medir directamente la frecuencia de la luz. [ 122 ]   

Una forma de sortear este problema es comenzar con una señal de baja frecuencia cuya frecuencia se pueda medir con precisión, y a partir de esta señal sintetizar progresivamente señales de mayor frecuencia cuya frecuencia se pueda vincular a la señal original. Un láser se puede entonces bloquear a la frecuencia, y su longitud de onda se puede determinar mediante interferometría. [ 122 ] Esta técnica se debió a un grupo de la Oficina Nacional de Estándares (que más tarde se convirtió en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología ). La utilizaron en 1972 para medir la velocidad de la luz en el vacío con una incertidumbre fraccionaria de3,5 × 10 −9 . [ 122 ] [ 123 ]

Historia

Hasta principios de la Edad Moderna , se desconocía si la luz viajaba instantáneamente o a una velocidad finita muy rápida. El primer estudio documentado sobre este tema data de la antigua Grecia . Los antiguos griegos, los eruditos árabes y los científicos clásicos europeos debatieron esta cuestión durante mucho tiempo, hasta que Rømer realizó el primer cálculo de la velocidad de la luz. La teoría de la relatividad especial de Einstein postula que la velocidad de la luz es constante independientemente del sistema de referencia. Desde entonces, los científicos han proporcionado mediciones cada vez más precisas.

Historia temprana

Empédocles (c. 490-430 a. C.) fue el primero en proponer una teoría de la luz [ 132 ] y afirmó que la luz tiene una velocidad finita. [ 133 ] Sostuvo que la luz era algo en movimiento y, por lo tanto, debía tardar cierto tiempo en viajar. Aristóteles argumentó, por el contrario, que «la luz se debe a la presencia de algo, pero no es un movimiento». [ 134 ] Euclides y Ptolomeo desarrollaron la teoría de la visión por emisión de Empédocles , según la cual la luz se emite desde el ojo, posibilitando así la visión. Basándose en esa teoría, Herón de Alejandría argumentó que la velocidad de la luz debía ser infinita porque los objetos distantes, como las estrellas, aparecen inmediatamente al abrir los ojos. [ 135 ]

Los primeros filósofos islámicos inicialmente coincidieron con la visión aristotélica de que la luz no tenía velocidad de viaje. En 1021, Alhazen (Ibn al-Haytham) publicó el Libro de Óptica , en el que presentó una serie de argumentos que descartaban la teoría de la emisión de la visión en favor de la teoría de la intromisión, ahora aceptada, en la que la luz se mueve desde un objeto hacia el ojo. [ 136 ] Esto llevó a Alhazen a proponer que la luz debe tener una velocidad finita, [ 134 ] [ 137 ] [ 138 ] y que la velocidad de la luz es variable, disminuyendo en cuerpos más densos. [ 138 ] [ 139 ] Argumentó que la luz es materia sustancial, cuya propagación requiere tiempo, incluso si esto está oculto a los sentidos. [ 140 ] También en el siglo XI, Abū Rayhān al-Bīrūnī coincidió en que la luz tiene una velocidad finita y observó que la velocidad de la luz es mucho mayor que la velocidad del sonido. [ 141 ]

En el siglo XIII, Roger Bacon argumentó que la velocidad de la luz en el aire no era infinita, utilizando argumentos filosóficos respaldados por los escritos de Alhazen y Aristóteles. [ 142 ] [ 143 ] En la década de 1270, Witelo consideró la posibilidad de que la luz viajara a velocidad infinita en el vacío, pero que disminuyera su velocidad en cuerpos más densos. [ 144 ]

A principios del siglo XVII, Johannes Kepler creía que la velocidad de la luz era infinita, ya que el espacio vacío no presenta ningún obstáculo para ella. René Descartes argumentó que si la velocidad de la luz fuera finita, el Sol, la Tierra y la Luna estarían notablemente desalineados durante un eclipse lunar . Aunque este argumento falla cuando se tiene en cuenta la aberración de la luz, esta última no se reconoció hasta el siglo siguiente. [ 145 ] Dado que tal desalineación no se había observado, Descartes concluyó que la velocidad de la luz era infinita. Descartes especuló que si se descubriera que la velocidad de la luz era finita, todo su sistema filosófico podría ser demolido. [ 134 ] A pesar de esto, en su derivación de la ley de Snell , Descartes asumió que algún tipo de movimiento asociado con la luz era más rápido en medios más densos. [ 146 ] [ 147 ] Pierre de Fermat derivó la ley de Snell usando la suposición opuesta: cuanto más denso es el medio, más lento viaja la luz. Fermat también argumentó a favor de una velocidad finita de la luz. [ 148 ]

Primeros intentos de medición

En 1629, Isaac Beeckman propuso un experimento en el que una persona observa el destello de un cañón reflejado en un espejo a aproximadamente una milla (1,6  km) de distancia. En 1638, Galileo Galilei propuso un experimento, afirmando aparentemente haberlo realizado algunos años antes, para medir la velocidad de la luz observando el retraso entre descubrir una linterna y percibirla a cierta distancia. No pudo determinar si el viaje de la luz era instantáneo o no, pero concluyó que, de no ser así, debía ser extraordinariamente rápido. [ 124 ] [ 125 ] Según Galileo, las linternas que utilizó estaban "a una corta distancia, menos de una milla". Suponiendo que la distancia no fuera mucho menor que una milla, y que "aproximadamente una trigésima de segundo es el intervalo de tiempo mínimo distinguible por el ojo sin ayuda", Boyer señala que el experimento de Galileo podría decirse, en el mejor de los casos, que estableció un límite inferior de aproximadamente 60 millas por segundo para la velocidad de la luz. [ 125 ] En 1667, la Accademia del Cimento de Florencia informó que había realizado el experimento de Galileo, con las linternas separadas por aproximadamente una  milla, pero no se observó ningún retraso. [ 149 ] El retraso real en este experimento habría sido de aproximadamente 11 microsegundos .

Diagrama de la órbita de un planeta alrededor del Sol y de la órbita de una luna alrededor de otro planeta. La sombra de este último planeta está sombreada.
Las observaciones de Rømer sobre las ocultaciones de Io desde la Tierra

La primera estimación cuantitativa de la velocidad de la luz fue realizada en 1676 por Ole Rømer. [ 102 ] [ 103 ] A partir de la observación de que los períodos de Io , la luna más interna de Júpiter , parecían ser más cortos cuando la Tierra se acercaba a Júpiter que cuando se alejaba de él, concluyó que la luz viaja a una velocidad finita y estimó que la luz tarda 22 minutos en cruzar el diámetro de la órbita terrestre. Christiaan Huygens combinó esta estimación con una estimación del diámetro de la órbita terrestre para obtener una estimación de la velocidad de la luz de220 000  km/s , lo que supone un 27 % menos que el valor real. [ 128 ]

En su libro Óptica de 1704 , Isaac Newton informó sobre los cálculos de Rømer acerca de la velocidad finita de la luz y dio un valor de "siete u ocho minutos" para el tiempo que tarda la luz en viajar del Sol a la Tierra (el valor moderno es de 8  minutos y 19  segundos). [ 150 ] Newton preguntó si las sombras del eclipse de Rømer tenían color. Al escuchar que no, concluyó que los diferentes colores viajaban a la misma velocidad. En 1729, James Bradley descubrió la aberración estelar . [ 104 ] A partir de este efecto, determinó que la luz debe viajar 10 210 veces más rápido que la Tierra en su órbita (la cifra moderna es de 10 066 veces más rápido) o, equivalentemente, que la luz tardaría 8  minutos y 12  segundos en viajar del Sol a la Tierra. [ 104 ]

Conexiones con el electromagnetismo

En el siglo XIX, Hippolyte Fizeau desarrolló un método para determinar la velocidad de la luz basándose en mediciones del tiempo de vuelo en la Tierra y reportó un valor de315 000  km/s . [ 151 ] Su método fue mejorado por Léon Foucault , quien obtuvo un valor de298 000  km/s en 1862. [ 110 ] En el año 1856, Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch midieron la relación de las unidades electromagnéticas y electrostáticas de carga, 1/ √ ε 0 μ 0 , al descargar una botella de Leyden , y encontraron que su valor numérico era muy cercano a la velocidad de la luz medida directamente por Fizeau. Al año siguiente, Gustav Kirchhoff calculó que una señal eléctrica en un cable sin resistencia viaja a lo largo del cable a esta velocidad. [ 152 ]

A principios de la década de 1860, Maxwell demostró que, según la teoría del electromagnetismo en la que trabajaba, las ondas electromagnéticas se propagan en el espacio vacío [ 153 ] a una velocidad igual a la relación Weber/Kohlrausch mencionada anteriormente, y, señalando la proximidad numérica de este valor a la velocidad de la luz medida por Fizeau, propuso que la luz es, de hecho, una onda electromagnética. [ 154 ] Maxwell respaldó su afirmación con su propio experimento, publicado en las Philosophical Transactions de 1868, que determinó la relación entre las unidades electrostáticas y electromagnéticas de la electricidad. [ 155 ]

"Éter luminífero"

Las propiedades ondulatorias de la luz se conocían desde Thomas Young . En el siglo XIX, los físicos creían que la luz se propagaba en un medio llamado éter. Tras la unificación de la teoría de Maxwell, que integró la luz con las ondas eléctricas y magnéticas, se impuso la idea de que tanto la luz como las ondas electromagnéticas se propagaban en el mismo medio etéreo (o éter luminífero ). [ 156 ]

Hendrik Lorentz (derecha) con Albert Einstein (1921)

Algunos físicos pensaban que este éter actuaba como un marco de referencia preferido para la propagación de la luz y, por lo tanto, debería ser posible medir el movimiento de la Tierra con respecto a este medio, midiendo la isotropía de la velocidad de la luz. A partir de la década de 1880 se realizaron varios experimentos para intentar detectar este movimiento, el más famoso de los cuales es el realizado por Albert A. Michelson y Edward W. Morley en 1887. [ 157 ] [ 158 ] Se encontró que el movimiento detectado siempre era nulo (dentro del margen de error de observación). Los experimentos modernos indican que la velocidad bidireccional de la luz es isotrópica (la misma en todas las direcciones) con una precisión de 6 nanómetros por segundo. [ 159 ]

Debido al experimento de Michelson-Morley, Hendrik Lorentz propuso que el movimiento del aparato a través del éter podría causar que este se contrajera longitudinalmente en la dirección del movimiento, y supuso además que la variable de tiempo para los sistemas en movimiento también debía cambiar en consecuencia ("tiempo local"), lo que condujo a la formulación de la transformación de Lorentz . Basándose en la teoría del éter de Lorentz , Henri Poincaré (1900) demostró que este tiempo local (en primera aproximación en v / c ) está indicado por relojes que se mueven en el éter, los cuales se sincronizan bajo la suposición de una velocidad de la luz constante. En 1904, especuló que la velocidad de la luz podría ser una velocidad límite en la dinámica, siempre que se confirmaran todas las suposiciones de la teoría de Lorentz. En 1905, Poincaré logró que la teoría del éter de Lorentz concordara plenamente con el principio de relatividad . [ 160 ] [ 161 ]

relatividad especial

En 1905, Einstein postuló desde el principio que la velocidad de la luz en el vacío, medida por un observador sin aceleración, es independiente del movimiento de la fuente o del observador. Utilizando esto y el principio de relatividad como base, derivó la teoría especial de la relatividad , en la que la velocidad de la luz en el vacío c figuraba como una constante fundamental, apareciendo también en contextos no relacionados con la luz. Esto hizo inútil el concepto del éter estacionario (al que Lorentz y Poincaré aún se adherían) y revolucionó los conceptos de espacio y tiempo. [ 162 ] [ 163 ]

Mayor precisión de c y redefinición del metro y del segundo.

En la segunda mitad del siglo XX, se lograron grandes avances en el aumento de la precisión de las mediciones de la velocidad de la luz, primero mediante técnicas de resonancia de cavidad y luego mediante técnicas de interferometría láser. Estas fueron ayudadas por nuevas definiciones más precisas del metro y el segundo. En 1950, Louis Essen determinó la velocidad como299 792,5 ± 3,0  km/s , utilizando resonancia de cavidad. [ 117 ] Este valor fue adoptado por la XII Asamblea General de la Unión Radiocientífica en 1957. En 1960, el metro se redefinió en términos de la longitud de onda de una línea espectral particular del criptón-86 y, en 1967, el segundo se redefinió en términos de la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental del cesio-133 . [ 164 ]

En 1972, utilizando el método del interferómetro láser y las nuevas definiciones, un grupo de la Oficina Nacional de Estándares de EE. UU. en Boulder, Colorado, determinó que la velocidad de la luz en el vacío era c =299 792 456 .2 ± 1.1  m/s . Esto fue 100 veces menos incierto que el valor previamente aceptado. La incertidumbre restante estaba relacionada principalmente con la definición del metro. [ 165 ] [ 123 ] Como experimentos similares encontraron resultados comparables para c , la XV Conferencia General de Pesas y Medidas en 1975 recomendó usar el valor299 792 458  m/s para la velocidad de la luz. [ 166 ]

Definido como una constante explícita

En 1983, la 17ª reunión de la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) determinó que las longitudes de onda obtenidas a partir de mediciones de frecuencia y un valor dado para la velocidad de la luz son más reproducibles que el estándar anterior. Mantuvieron la definición de segundo de 1967, por lo que la frecuencia hiperfina del cesio determinaría ahora tanto el segundo como el metro. Para ello, redefinieron el metro como "la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 de segundo". [ 101 ]

Como resultado de esta definición, el valor de la velocidad de la luz en el vacío es exactamente299 792 458  m/s [ 167 ] [ 168 ] y se ha convertido en una constante definida en el sistema de unidades SI. [ 17 ] Las técnicas experimentales mejoradas que, antes de 1983, habrían medido la velocidad de la luz ya no afectan el valor conocido de la velocidad de la luz en unidades SI, sino que permiten una realización más precisa del metro al medir con mayor exactitud la longitud de onda del criptón-86 y otras fuentes de luz. [ 169 ] [ 170 ]

En 2011, la CGPM declaró su intención de redefinir las siete unidades base del SI utilizando lo que denomina "la formulación de constante explícita", donde cada "unidad se define indirectamente especificando explícitamente un valor exacto para una constante fundamental bien reconocida", como se hizo con la velocidad de la luz. Propuso una nueva redacción, pero completamente equivalente, de la definición del metro: "El metro, símbolo m, es la unidad de longitud; su magnitud se establece fijando el valor numérico de la velocidad de la luz en el vacío para que sea exactamente igual a299 792 458 cuando se expresa en la unidad del SI ms −1 ." [ 171 ] Este fue uno de los cambios que se incorporaron en la revisión de 2019 del SI , también denominada Nuevo SI . [ 172 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ Valor exacto: (299 792 458 ×86 400 /149 597 870 700 ) AU/día .
  2. ↑ Valor exacto: (999 992 651 π  /10 246 429 500 ) pc/año .

Referencias

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  170. ↑ Rindler, W. (2006). Relatividad: especial, general y cosmológica (2.ª ed.). Oxford University Press. p. 41. ISBN   978-0-19-856731-8Tenga en cuenta que [...] las mejoras en la precisión experimental modificarán el medidor en relación con las longitudes de onda atómicas, ¡pero no el valor de la velocidad de la luz!
  171. ↑ "La formulación de "constante explícita" . BIPM . 2011. Archivado del original el 11 de agosto de 2014.
  172. ↑ Véase, por ejemplo:

Lecturas adicionales

Referencias históricas

Referencias modernas

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  • Definición del metro (Oficina Internacional de Pesas y Medidas, BIPM)
  • Velocidad de la luz en el vacío (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, NIST)
  • Galería de datos: Velocidad de la luz de Michelson (Estimación de ubicación univariada) (descargar datos recopilados por Albert A. Michelson )
  • Subluminal (Applet de Greg Egan que demuestra los límites de la información de velocidad de grupo)
  • Breve debate sobre la adición de velocidades.
  • Velocidad de la luz (Sesenta símbolos, Departamento de Física de la Universidad de Nottingham [vídeo])
  • La velocidad de la luz , debate en BBC Radio  4 ( En nuestro tiempo , 30 de noviembre de 2006)
  • Velocidad de la luz (Contador en tiempo real – Ilustraciones)
  • Velocidad de la luz: demostraciones animadas
  • " La velocidad de la luz ", Albert A. Nicholson, Scientific American , 28 de septiembre de 1878, pág.  193.