VELOCIDAD DE LA LUZ

LA VELOCIDAD DE LA LUZ

Las primeras estimaciones sobre la velocidad de la luz fueron realizadas por los antiguos griegos, para quienes la luz se propaga de manera instantánea , es decir , que el tiempo empleado en desplazarse desde la fuente hasta el observador es tan corto que se podría considerar  su velocidad infinita.

Al comienzo del siglo XVII gran parte la comunidad científica de la época no estaba muy a favor de la existencia de la velocidad de la luz, ellos pensaban que esta podía recorrer cualquier distancia de forma instantánea. Sin embargo Galileo no estaba de acuerdo con estas ideas y considerando que la luz empleaba cierto tiempo en su propagación. trato de medir su velocidad. Para ello se ubico en cierta distancia de uno de sus ayudantes de tal forma que uno de los dos dirigía un haz de luz hacia el lugar donde se encontraba el otro ,quien luego de cierto tiempo debería ver el resplandor ; cada  uno registraba el tiempo y su diferencia seria el tiempo empleado por la luz en recorrer dicha distancia. Como no hubo diferencia entre los tiempos . Galileo concluyo que si la luz no se propagaba instantáneamente,  entonces su velocidad era extremadamente rápida.

La Primera medida cuantitativa de la velocidad de la luz realiza por el astrónomo danes Olaus Romer , en 1675 mientras trabajaba con GIOVANNI CASSINI

La velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de valor 299.792.458 m/s^[ (suele aproximarse a 3·10⁸ m/s), o lo que es lo mismo 9,46·10¹⁵ m/año; la segunda cifra es la usada para definir al intervalo llamado año luz.

Se simboliza con la letra c, proveniente del latín celéritās (en español celeridad o rapidez), y también es conocida como la constante de Einstein.

El valor de la velocidad de la luz en el vacío fue incluida oficialmente en el Sistema Internacional de Unidades como constante el 21 de octubre de 1983, pasando así el metro a ser una unidad derivada de esta constante.

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

Velocidad constante para todos los marcos de referencia

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

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

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

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

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

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

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

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

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

¿Cómo fue medida la velocidad de la luz?

El físico francés Jean Foucault midió la velocidad de la luz con notable precisión a mediados del siglo XIX, con dos espejos separados 20 m uno del otro. Un espejo estaba fijo y el otro giraba a 800 revoluciones por segundo. Se dirigía un rayo de luz hacia el espejo que giraba, y si éste se encontraba en el ángulo adecuado, el rayo se reflejaba en el espejo fijo, rebotaba hacia el otro espejo y después se reflejaba de nuevo en la fuente.

En el tiempo que debía transcurrir para que la luz rebotara entre los espejos, el espejo giratorio había descrito un pequeño ángulo, de modo que el rayo que regresaba a la fuente se desviaba ligeramente de su trayectoria original.

Con la medida del ángulo en que se había movido el espejo, Foucault determinó cuánto tiempo había requerido la luz para hacer su recorrido, y su velocidad. El resultado, del que se informó en 1862, fue 300,939 km por segundo.

En la década de 1920, el físico estadounidense Albert Michelson refinó el método de Foucault; envió un rayo de luz a través de un tubo de vacío de 1.6 km de largo para eliminar el efecto del aire sobre la velocidad. Las mediciones modernas han afinado más esta cifra hasta llegar a 299,793 km por segundo.

El procedimiento de Roemer

En la figura, se muestra el Sol, la Tierra, Júpiter y su satélite Io en su órbita alrededor de este planeta. El Sol ilumina Júpiter, que proyecta su sombra en el espacio.

Io es el satélite más cercano de Júpiter, y está situado prácticamente en el plano de su órbita alrededor del Sol. El satélite Io entra en la sombra proyectada por Júpiter por el punto I quedando oculto durante un pequeño intervalo de tiempo, y sale de la sombra por el punto E.

Durante medio año, el observador terrestre ve la aparición de Io oculto en la sombra de Júpiter, y durante el otro medio año la desaparición (eclipses) en dicha sombra.

Supongamos que la Tierra está en la posición A, la más cercana a Júpiter (oposición), cuando Io aparece de la sombra de Júpiter. El mismo acontecimiento ocurrirá 42.5 horas más tarde, cuando Io haya completado una vuelta.

La Tierra se mueve alrededor del Sol, después de N periodos de Io, la Tierra se encuentra en la posición B (conjunción) la más alejada de Júpiter.

Sea P' el periodo de Io medido por un observador terrestre y P el "verdadero" periodo de Io. La distancia entre la Tierra y Júpiter se ha incrementado en AB=d=2UA, el diámetro de la órbita aproximadamente circular de la Tierra alrededor del Sol

El astrónomo mide la diferencia NP'-NP=990 s, que será igual al cociente entre la distancia AB y la velocidad de la luz c.

Determinación de la velocidad de la luz

En el año 1672 el astrónomo danés Olaf Roëmer consiguió realizar la primera determinación de la velocidad de la luz, considerando para ello distancias interplanetarias. Al estudiar el periodo de revolución de un satélite (tiempo que emplea en describir una órbita completa) del planeta Júpiter, observó que variaba con la época del año entre dos valores extremos. Roëmer interpretó este hecho como consecuencia de que la Tierra, debido a su movimiento de traslación en torno al Sol, no se encontraba siempre a la misma distancia del satélite, sino que ésta variaba a lo largo del año. Los intervalos medidos representaban realmente la suma del periodo de revolución más el tiempo empleado por la luz en recorrer la distancia entre el satélite y la Tierra. Por esta razón la luz procedente del satélite tardaría más tiempo en llegar al observador cuando éste se encontrase en la posición más alejada, lo que se traduciría en un intervalo de tiempo algo más largo.
La diferencia entre los correspondientes tiempos extremos sería, entonces, el tiempo empleado por la luz en recorrer el diámetro de la órbita terrestre en tomo al Sol. Dado que en su época éste se estimaba en 300 000 000 km y el resultado de dicha diferencia resultó ser de 1 320 segundos, Roëmer, mediante el siguiente cálculo cinemático sencillo:


obtuvo una primera medida del valor de la velocidad c de la luz en el vacío. El valor más preciso obtenido por este método es de 301 500 km/s.

 Velocidad e índice de refracción

La velocidad con que la luz se propaga a través de un medio homogéneo y transparente es una constante característica de dicho medio, y por tanto, cambia de un medio a otro.
Debido a su enorme magnitud la medida de la velocidad de la luz c ha requerido la invención de procedimientos ingeniosos que superarán el inconveniente que suponen las cortas distancias terrestres en relación con tan extraordinaria rapidez. Métodos astronómicos y métodos terrestres han ido dando resultados cada vez más próximos. En la actualidad se acepta para la velocidad de la luz en el vacío el valor c = 299,792,458 m/s. En cualquier medio material transparente la luz se propaga con una velocidad que es siempre inferior a c. Así, por ejemplo, en el agua lo hace a 225 000 km/s y en el vidrio a 195 000 km/k.

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