¡Tronar los dedos! En el tiempo que tardó en hacer eso, un rayo de luz pudo viajar casi hasta la luna. Si chasquea los dedos una vez más, le dará tiempo al rayo para completar el viaje. El caso es que la luz viaja muy, muy rápido.
La luz viaja rápidamente, pero su velocidad no es infinita, como se creía antes del siglo XVII. Sin embargo, la velocidad es demasiado rápida para medirla con lámparas, explosiones u otros medios que dependen de la agudeza visual y el tiempo de reacción humanos. Pregúntale a Galileo.
Experimentos de luz
Galileo ideó un experimento en 1638 que usaba linternas, y la mejor conclusión que pudo lograr fue que la luz es "extraordinariamente rápida" (en otras palabras, muy, muy rápida). No pudo llegar a un número, si de hecho, incluso intentó el experimento. Sin embargo, se aventuró a decir que creía que la luz viaja al menos 10 veces más rápido que el sonido. En realidad, es un millón de veces más rápido.
La primera medición exitosa de la velocidad de la luz, que los físicos representan universalmente con una c minúscula, fue realizada por Ole Roemer en 1676. Basó sus mediciones en observaciones de las lunas de Júpiter. Desde entonces, los físicos han utilizado observaciones de las estrellas, ruedas dentadas, espejos giratorios, interferómetros de radio, resonadores de cavidad y láseres para refinar la medición. Ellos ahora saben
La velocidad de la luz es una constante universal, por lo que no existe una fórmula de velocidad de la luz,per se. De hecho, siCsi fuera diferente, todas nuestras medidas tendrían que cambiar, porque el medidor se basa en él. Sin embargo, la luz tiene características de onda, que incluyen frecuenciaνy longitud de ondaλ, y puede relacionarlos con la velocidad de la luz con esta ecuación, que podría llamar la ecuación para la velocidad de la luz:
c = \ nu \ lambda
Medición de la velocidad de la luz a partir de observaciones astronómicas
Roemer fue la primera persona en encontrar un número para la velocidad de la luz. Lo hizo mientras observaba los eclipses de las lunas de Júpiter, específicamente Io. Vería a Io desaparecer detrás del planeta gigante y luego mediría cuánto tiempo tardó en reaparecer. Razonó que este tiempo podría diferir hasta en 1.000 segundos, dependiendo de qué tan cerca esté Júpiter de la Tierra. Se le ocurrió un valor para la velocidad de la luz de 214.000 km / s, que está en el mismo estadio que el valor moderno de casi 300.000 km / s.
En 1728, el astrónomo inglés James Bradley calculó la velocidad de la luz observando aberraciones estelares, que es su aparente cambio de posición debido al movimiento de la tierra alrededor del sol. Al medir el ángulo de este cambio y restar la velocidad de la Tierra, que pudo calcular a partir de los datos conocidos en ese momento, Bradley obtuvo un número mucho más preciso. Calculó que la velocidad de la luz en el vacío era de 301.000 km / s.
Comparación de la velocidad de la luz en el aire con la velocidad en el agua
La siguiente persona en medir la velocidad de la luz fue el filósofo francés Armand Hippolyte Fizeau, y no se basó en observaciones astronómicas. En cambio, construyó un aparato que consta de un divisor de haz, una rueda dentada giratoria y un espejo colocado a 8 km de la fuente de luz. Podía ajustar la velocidad de rotación de la rueda para permitir que un rayo de luz pasara hacia el espejo pero bloqueara el rayo de retorno. Su cálculo deC, que publicó en 1849, era de 315.000 km / s, que no era tan precisa como la de Bradley.
Un año después, Léon Foucault, un físico francés, mejoró el experimento de Fizeau sustituyendo la rueda dentada por un espejo giratorio. El valor de Foucault para c era de 298.000 km / s, que era más preciso, y en el proceso, Foucault hizo un descubrimiento importante. Al insertar un tubo de agua entre el espejo giratorio y el estacionario, determinó que la velocidad de la luz en el aire es mayor que la velocidad en el agua. Esto era contrario a lo que predijo la teoría corpuscular de la luz y ayudó a establecer que la luz es una onda.
En 1881, A. UNA. Michelson mejoró las mediciones de Foucault mediante la construcción de un interferómetro, que fue capaz de comparar las fases del haz original y el que regresa y mostrar un patrón de interferencia en un pantalla. Su resultado fue de 299.853 km / s.
Michelson había desarrollado el interferómetro para detectar la presencia deléter, una sustancia fantasmal a través de la cual se pensaba que se propagaban las ondas de luz. Su experimento, realizado con el físico Edward Morley, fue un fracaso y llevó a Einstein a concluir que la velocidad de la luz es una constante universal que es la misma en todos los marcos de referencia. Ese fue el fundamento de la Teoría de la Relatividad Especial.
Usando la ecuación para la velocidad de la luz
El valor de Michelson fue el aceptado hasta que él mismo lo mejoró en 1926. Desde entonces, el valor ha sido refinado por varios investigadores utilizando una variedad de técnicas. Una de esas técnicas es el método del resonador de cavidad, que utiliza un dispositivo que genera corriente eléctrica. Este es un método válido porque, tras la publicación de las ecuaciones de Maxwell a mediados del siglo XIX, los físicos han estado de acuerdo en que la luz y la electricidad son fenómenos de ondas electromagnéticas, y ambos viajan al mismo velocidad.
De hecho, después de que Maxwell publicara sus ecuaciones, fue posible medir c indirectamente comparando la permeabilidad magnética y la permeabilidad eléctrica del espacio libre. Dos investigadores, Rosa y Dorsey, hicieron esto en 1907 y calcularon la velocidad de la luz en 299.788 km / s.
En 1950, los físicos británicos Louis Essen y A.C. Gordon-Smith utilizaron un resonador de cavidad para calcular la velocidad de la luz midiendo su longitud de onda y frecuencia. La velocidad de la luz es igual a la distancia que recorre la luz.Ddividido por el tiempo que lleva∆t: c = d / ∆t. Considere que el tiempo para una sola longitud de ondaλpasar un punto es el período de la forma de onda, que es el recíproco de la frecuenciav, y obtienes la fórmula de la velocidad de la luz:
c = \ nu \ lambda
El dispositivo que utilizaron Essen y Gordon-Smith se conoce comomedidor de ondas de resonancia de cavidad. Genera una corriente eléctrica de frecuencia conocida y pudieron calcular la longitud de onda midiendo las dimensiones del medidor de ondas. Sus cálculos arrojaron 299.792 km / s, que fue la determinación más precisa hasta la fecha.
Un método de medición moderno que utiliza láseres
Una técnica de medición contemporánea resucita el método de división del haz empleado por Fizeau y Foucault, pero utiliza láseres para mejorar la precisión. En este método, se divide un rayo láser pulsado. Un rayo va a un detector mientras que otro viaja perpendicularmente a un espejo ubicado a poca distancia. El espejo refleja el rayo hacia un segundo espejo que lo desvía hacia un segundo detector. Ambos detectores están conectados a un osciloscopio, que registra la frecuencia de los pulsos.
Los picos de los pulsos del osciloscopio están separados porque el segundo haz recorre una distancia mayor que el primero. Midiendo la separación de los picos y la distancia entre los espejos, es posible derivar la velocidad del haz de luz. Esta es una técnica simple y produce resultados bastante precisos. Un investigador de la Universidad de Nueva Gales del Sur en Australia registró un valor de 300.000 km / s.
Medir la velocidad de la luz ya no tiene sentido
La vara de medir que utiliza la comunidad científica es el metro. Originalmente se definió como una diez millonésima parte de la distancia desde el ecuador hasta el Polo Norte, y el Más tarde, la definición se cambió para ser un cierto número de longitudes de onda de una de las líneas de emisión de criptón-86. En 1983, el Consejo General de Pesas y Medidas eliminó esas definiciones y adoptó esta:
Lametroes la distancia recorrida por un haz de luz en el vacío en 1 / 299,792,458 de segundo, donde el segundo se basa en la desintegración radiactiva del átomo de cesio-133.
Definir el medidor en términos de la velocidad de la luz básicamente fija la velocidad de la luz en 299,792,458 m / s. Si un experimento arroja un resultado diferente, solo significa que el aparato está defectuoso. En lugar de realizar más experimentos para medir la velocidad de la luz, los científicos utilizan la velocidad de la luz para calibrar su equipo.
Uso de la velocidad de la luz para calibrar un aparato experimental
La velocidad de la luz aparece en una variedad de contextos en física, y es técnicamente posible calcularla a partir de otros datos medidos. Por ejemplo, Planck demostró que la energía de un cuanto, como un fotón, es igual a su frecuencia multiplicada por la constante de Planck (h), que es igual a 6,6262 x 10-34 Joule⋅second. Dado que la frecuencia esc / λ, La ecuación de Planck se puede escribir en términos de longitud de onda:
E = h \ nu = \ frac {hc} {\ lambda} \ implica c = \ frac {E \ lambda} {h}
Al bombardear una placa fotoeléctrica con luz de una longitud de onda conocida y medir la energía de los electrones expulsados, es posible obtener un valor paraC. Sin embargo, este tipo de calculadora de la velocidad de la luz no es necesaria para medir c, porqueCesdefinidopara ser lo que es. Sin embargo, podría usarse para probar el aparato. SiEλ / hno resulta ser c, algo anda mal con las medidas de la energía del electrón o con la longitud de onda de la luz incidente.
La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal
Tiene sentido definir el medidor en términos de la velocidad de la luz en el vacío, ya que es la constante más fundamental del universo. Einstein demostró que es el mismo para todos los puntos de referencia, independientemente del movimiento, y también es lo más rápido que cualquier cosa puede viajar en el universo, al menos, cualquier cosa con masa. La ecuación de Einstein, y una de las ecuaciones más famosas de la física,E = mc2, proporciona la pista de por qué esto es así.
En su forma más reconocible, la ecuación de Einstein se aplica solo a cuerpos en reposo. La ecuación general, sin embargo, incluye laFactor de Lorentz γ, dónde
\ gamma = \ frac {1} {\ sqrt {1- \ frac {v ^ 2} {c ^ 2}}}
Para un cuerpo en movimiento con masametroy velocidadv, La ecuación de Einstein debe escribirseE = mc2γ. Cuando miras esto, puedes ver que cuandov = 0, γ= 1 y obtienesE = mc2.
Sin embargo cuandov = c, γse vuelve infinito, y la conclusión que tienes que sacar es que se necesitaría una cantidad infinita de energía para acelerar cualquier masa finita a esa velocidad. Otra forma de verlo es que la masa se vuelve infinita a la velocidad de la luz.
La definición actual del medidor hace que la velocidad de la luz sea el estándar para las mediciones terrestres de distancia, pero se ha utilizado durante mucho tiempo para medir distancias en el espacio. Un año luz es la distancia que recorre la luz en un año terrestre, que resulta en 9,46 × 1015 metro.
Esos metros son demasiados para comprender, pero un año luz es fácil de comprender, y debido a que la velocidad de la luz es constante en todos los marcos de referencia inerciales, es una unidad de distancia confiable. Se hace un poco menos confiable al basarse en el año, que es un marco de tiempo que no tendría relevancia para nadie de otro planeta.