Velocidad de la luz

Ejemplo

Este comportamiento es diferente de nuestras ideas comunes sobre el movimiento, como se muestra en este ejemplo:

George está de pie en el suelo junto a unas vías de tren (ferrocarril). Hay un tren que pasa a 48 km/h. George lanza una pelota de béisbol a 90 mph (140 km/h) en la dirección en que se mueve el tren. Tom, un pasajero del tren, tiene un dispositivo (como una pistola de radar) para medir la velocidad de los lanzamientos. Como está en el tren, Tom ya se está moviendo a 48 km/h en la dirección del lanzamiento, por lo que mide la velocidad de la pelota a sólo 97 km/h.

En otras palabras, la velocidad de la pelota de béisbol, medida por Tom en el tren, depende de la velocidad del tren.

En el ejemplo anterior, el tren se movía a 1/3 de la velocidad de la pelota, y la velocidad de la pelota medida en el tren era 2/3 de la velocidad de lanzamiento medida en el suelo.

Ahora, repite el experimento con luz en lugar de una pelota de béisbol; es decir, George tiene una linterna en lugar de lanzar una pelota de béisbol. Tanto George como Tom tienen dispositivos iguales para medir la velocidad de la luz (en lugar de la pistola de radar en el ejemplo de la pelota de béisbol).

George está de pie en el suelo junto a unas vías de tren. Un tren pasa a 1/3 de la velocidad de la luz. George proyecta un haz de luz en la dirección en la que se mueve el tren. George mide la velocidad de la luz en 186.282 millas por segundo (299.792 kilómetros por segundo). Tom, un pasajero del tren, mide la velocidad del haz de luz. ¿Qué velocidad mide Tom?

Intuitivamente, uno podría pensar que la velocidad de la luz de la linterna medida en el tren debería ser 2/3 de la velocidad medida en el suelo, al igual que la velocidad de la pelota de béisbol era de 2/3. Pero en realidad, la velocidad medida en el tren es el valor completo, 186.282 millas por segundo (299.792 kilómetros por segundo), no 124.188 millas por segundo (199.861 kilómetros por segundo).

Parece imposible, pero eso es lo que se mide. Parte de la razón es que la luz es energía que actúa y se mueve de forma muy diferente a la materia o a los objetos sólidos como una pelota de béisbol.

Las ecuaciones de Maxwell predijeron la velocidad de la luz y confirmaron la idea de Michael Faraday de que la luz era una onda electromagnética (una forma de moverse la energía). A partir de estas ecuaciones, encontramos que la velocidad de la luz está relacionada con la inversa de la raíz cuadrada de la permitividad del espacio libre, ε ₀, y la permeabilidad del espacio libre, μ ₀:

c = 1 ε 0 μ 0 . {\displaystyle c={frac {1}{cuadrado}{varepsilon _{0}{mu _{0}}}}\}}. }

Una consecuencia de este hecho es que nada puede ir más rápido que la velocidad de la luz. Otra consecuencia es que, para los objetos que tienen masa, por mucha energía que se utilice para aumentar la velocidad de un objeto, éste se acercará cada vez más, pero nunca alcanzará la velocidad de la luz. Estas ideas fueron descubiertas a principios del siglo XX por Albert Einstein, cuyo trabajo cambió por completo nuestra comprensión de la luz.

El índice de refracción de un material claro es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en ese material.

Medición

Rømer

Ole Christensen Rømer utilizó una medición astronómica para realizar la primera estimación cuantitativa de la velocidad de la luz. Cuando se miden desde la Tierra, los periodos de las lunas que orbitan alrededor de un planeta lejano son más cortos cuando la Tierra se acerca al planeta que cuando se aleja de él. La distancia recorrida por la luz desde el planeta (o su luna) hasta la Tierra es más corta cuando la Tierra está en el punto de su órbita más cercano a su planeta que cuando la Tierra está en el punto más lejano de su órbita, siendo la diferencia de distancia el diámetro de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. El cambio observado en el periodo orbital de la Luna es, en realidad, la diferencia en el tiempo que tarda la luz en atravesar la distancia más corta o más larga. Rømer observó este efecto en la luna más interna de Júpiter, Io, y dedujo que la luz tarda 22 minutos en atravesar el diámetro de la órbita de la Tierra.

Bradley

Otro método consiste en utilizar la aberración de la luz, descubierta y explicada por James Bradley en el siglo XVIII. Este efecto resulta de la suma vectorial de la velocidad de la luz que llega de una fuente lejana (como una estrella) y la velocidad de su observador (véase el diagrama de la derecha). Así, un observador en movimiento ve la luz procedente de una dirección ligeramente diferente y, en consecuencia, ve la fuente en una posición desplazada respecto a su posición original. Dado que la dirección de la velocidad de la Tierra cambia continuamente a medida que ésta orbita alrededor del Sol, este efecto hace que la posición aparente de las estrellas se desplace. A partir de la diferencia angular en la posición de las estrellas, es posible expresar la velocidad de la luz en términos de la velocidad de la Tierra alrededor del Sol. Esto, con la duración conocida de un año, puede convertirse fácilmente en el tiempo necesario para viajar desde el Sol hasta la Tierra. En 1729, Bradley utilizó este método para deducir que la luz viajaba 10.210 veces más rápido que la Tierra en su órbita (la cifra moderna es 10.066 veces más rápida) o, lo que es lo mismo, que la luz tardaría 8 minutos y 12 segundos en viajar del Sol a la Tierra.

Moderno

En la actualidad, el "tiempo de la luz para la unidad de distancia" -la inversa de c (1/c), expresada en segundos por unidad astronómica- se mide comparando el tiempo que tardan las señales de radio en llegar a diferentes naves espaciales del Sistema Solar. La posición de las naves espaciales se calcula a partir de los efectos gravitatorios del Sol y de los distintos planetas. Combinando muchas de estas mediciones, se obtiene un valor de ajuste óptimo para el tiempo de luz por unidad de distancia. A partir de 2009 ^{[actualización]}, la mejor estimación, aprobada por la Unión Astronómica Internacional (UAI), es:

tiempo de luz para la unidad de distancia: 499.004783836(10) s

c = 0,00200398880410(4) UA/s

c = 173,144632674(3) UA/día.

La incertidumbre relativa en estas mediciones es de 0,02 partes por billón (2×10⁻¹¹ ), como equivalente a la incertidumbre en las mediciones terrestres de longitud por interferometría. Dado que el metro se define como la longitud recorrida por la luz en un determinado intervalo de tiempo, la medición del tiempo de la luz para la unidad de distancia también puede interpretarse como la medición de la longitud de un UA en metros. El metro se considera una unidad de longitud propia, mientras que la UA se suele utilizar como unidad de longitud observada en un marco de referencia determinado.

Aberración de la luz: la luz de una fuente lejana parece provenir de un lugar diferente para un telescopio en movimiento debido a la velocidad finita de la luz.

Efectos prácticos

La velocidad finita de la luz es una limitación importante para los viajes espaciales de larga distancia. Suponiendo un viaje al otro lado de la Vía Láctea, el tiempo total para un mensaje y su respuesta sería de unos 200.000 años. Y lo que es más grave, ninguna nave espacial podría viajar más rápido que la luz, por lo que todo el transporte a escala galáctica sería efectivamente unidireccional, y llevaría mucho más tiempo del que ha existido cualquier civilización moderna.

La velocidad de la luz también puede ser motivo de preocupación en distancias muy cortas. En los superordenadores, la velocidad de la luz impone un límite a la rapidez con la que se pueden enviar datos entre procesadores. Si un procesador funciona a 1 gigahercio, una señal sólo puede viajar un máximo de unos 30 centímetros en un solo ciclo. Por tanto, los procesadores deben colocarse cerca los unos de los otros para minimizar las latencias de comunicación; esto puede causar dificultades con la refrigeración. Si las frecuencias de reloj siguen aumentando, la velocidad de la luz acabará convirtiéndose en un factor limitante para el diseño interno de los chips individuales.

Páginas relacionadas

• Experimento Michelson-Morley