Historia de la Medición de la Velocidad de la Luz

La velocidad de la luz: el límite cósmico

Cronología de la
Evolución del
Universo

¿Cómo suena el
espacio? Los
Sonidos Celestiales

Historia de la
Astronomía y su
Evolución

Hitos de la
Observación del
Espacio

Historia de la
Medición de la
Velocidad de la Luz

Como Se Construyó La:
Idea del Universo

La velocidad de la luz en el vacío es de aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo (exactamente 299.792.458 m/s). Esto significa que un fotón —la partícula que compone la luz— podría dar siete vueltas y media a la Tierra en un solo segundo.

Pero este número no es solo una curiosidad. Es una constante fundamental del universo (representada por la letra c, del latín celeritas, "rapidez") y un límite insuperable: nada con masa puede viajar a esta velocidad o superarla. Solo la luz y otras ondas electromagnéticas (radio, microondas, rayos X) pueden alcanzarla.

El primero en sospechar que la luz tenía una velocidad finita fue el astrónomo danés Ole Rømer en 1676, al observar los eclipses de la luna Io de Júpiter. Notó que los eclipses se retrasaban cuando la Tierra se alejaba de Júpiter, lo que indicaba que la luz necesitaba tiempo para recorrer esa distancia mayor.

Más tarde, James Clerk Maxwell demostró matemáticamente que la luz es una onda electromagnética, y su velocidad podía calcularse a partir de constantes eléctricas y magnéticas. Pero fue Albert Einstein quien le dio el rol central en la física: su teoría de la relatividad especial (1905) partió de un postulado revolucionario: la velocidad de la luz es la misma para cualquier observador, independientemente de su movimiento.

De ese simple enunciado se derivan consecuencias asombrosas: el tiempo se dilata, las longitudes se contraen y la masa y la energía son equivalentes (E=mc²). Por eso la velocidad de la luz no es solo una medida de cuán rápido viaja la luz, sino el "límite de velocidad" del universo y el tejido mismo de la realidad.

La luz avanza tan aprisa que nada en nuestra experiencia cotidiana nos conduce a pensar que su velocidad no sea infinita. Dato curioso: La luz del Sol tarda 8 minutos y 20 segundos en llegar a la Tierra. Si el Sol se apagara ahora, no lo sabríamos hasta dentro de ocho minutos. También en 1 segundo da 8 vueltas al planeta Tierra.

ASI SE CALCULÓ LA VELOCIDAD DE LA LUZ...

Se requiere una considerable penetración inclusive para preguntar “Con qué rapidez se mueve la luz?” Galileo se hizo esta pregunta y trató de contestarla experimentalmente.

Su obra principal, Dos Nuevas Ciencias, publicada en Holanda en 1638, esté escrita en forma de una conversación entre tres personajes ficticios llamados Salviati, Sagredo y Simplicio.

Reproducimos una parte de lo que decían acerca de la velocidad de la luz.

Simplicio: La experiencia cotidiana nos muestra que la propagación de la luz es instantánea; porque cuando vemos que se dispara un cañón a distancia, el fogonazo llega a nuestros ojos sin que transcurra ningún tempo mientras que el sonido llega a nuestros oídos sólo después de un intervalo perceptible.

Sagredo: Bien, Simplicio, lo único que yo puedo inferir de esta experiencia tan común es que el sonido al llegar a nuestros oídos viaja más lentamente que la luz; no me informa si la llegada de la luz es instantánea o si, cuando sea sumamente rápida, de todas maneras invierte algún tiempo..

Sagredo: quien evidentemente es Galileo mismo, describe entonces un método posible para medir la velocidad de la luz. El ayudante se colocan frente a frente separados alguna distancia la noche. Cada uno de ellos lleva una linterna que puede tapar destapar a voluntad. Galileo comenzó el experimento descubrí su linterna.

Cuando la luz le llegó al ayudante éste destapó su propia linterna, cuya luz fue vista por Galileo. Cuando trató de medir tiempo transcurrido desde que él descubrió su propia linterna hasta que le llegó la luz de la linterna de su ayudante.

Actualmente sabemos que para una distancia de 1609 m (una milla) el tiempo para el viaje de ida y vuelta sería solamente de 11 X 10^-8. Este tiempo es mucho menor que los tiempos de reacción humana de modo que el método falla.

Para medir una gran velocidad directamente, o bien medimos un Intervalo de tiempo pequeño o bien usamos una línea de base grande.

Esta situación sugiere que la astronomía, que trata con grandes distancias, podría ser capaz de dar un valor experimental para la velocidad de la luz; efectivamente así fue.

Aun cuando sería deseable medir el tiempo que tarda la luz del Sol en llegar a la Tierra, no hay manera de saber cuándo sale del Sol la luz que nos llega en un instante dado; debemos usar métodos astronómicos más elaborados.

Sin embargo, nótese que las señales de radar son reflejadas con toda regularidad por la Luna; esto nos da una línea de base de 7.68 X 10⁸ m (de ida y vuelta) para medición de tiempo. La velocidad de la luz (y de las microondas) es tan bien conocida en la actualidad mediante otros experimentos que estas mediciones se usan para determinar exactamente la distancia a la Luna. También se han podido obtener reflexiones de señales de microondas desde Venus.

En 1675 Ole Roemer (imagen), un astrónomo danés que observaba en París, hizo algunas observaciones de los satélites de Júpiter  de las cuales se puede deducir una velocidad de la luz de 2 X 10⁸ m/seg.

Aproximadamente 50 años más tarde, James Bradley, un astrónomo inglés, hizo algunas observaciones astronómicas de naturaleza totalmente diferente, de las cuales se puede deducir un valor de 3.0 X 10⁸ m/seg.

En 1849, Hippolyte Louis Fizeau (1819-1896), un físico francés, fue el primero que midió la velocidad de la luz por un método no astronómico, obteniendo un valor de 3.13 X 10⁸ m/seg. La figura muestra el aparato de Fizeau.

Para comenzar no nos fijemos en la rueda dentada. La luz de la fuente S se hace convergente mediante la lente L, es reflejada por el espejo M1, y forma en el espació en E una imagen de la fuente.

El espejo M, se llama “espejo semiplateado”, su capa reflectora es tan delgada que sólo la mitad de la luz que le llega es reflejada, siendo transmitida la otra mitad.

La luz de la imagen en F entra a la lente L2 y sale como un haz de rayos paralelos; después de pasar por la lente L3 es reflejada siguiendo su dirección original, pero en sentido contrario hacia el espejo M2.

En el experimento de Fizeau la distancia 1 entre M2 y F fue de 8.630 m, o sea, 5.36 millas. Cuando la luz llega al espejo M1 otra Vez algo de ella es transmitida, entrando al ojo del observador por la lente L1.

Metodo de Fizeau Para Determinar la velocidad de la luz

El observador verá una imagen de la fuente formada por la luz que ha viajado una distancia 2.L entre la rueda y el espejo M2 de ida y regreso.

Para medir el tiempo que tarda el haz de luz en ir  y regresar se necesita proveerlo, en alguna forma, de un marcador. Esto Se hace “cortándolo” con una rueda dentada que gira rápidamente.

Supóngase que durante el tiempo de ida y vuelta 2L/c, la rueda ha girado exactamente lo necesario para que cuando una determinada «porción de luz» regresa a la rueda, el punto F está tapado por un diente.

La luz pegará contra la cara del diente que está hacia M2 y no llegará al ojo del observador.

Si la velocidad de la rueda es precisamente la adecuada, el observador no verá ninguna de las «porciones de luz” porque cada una de ellas será tapada por un diente.

El observador mide a c aumentando la velocidad angular de la rueda desde cero hasta que desaparezca la imagen de la fuente S.

Sea e la distancia angular del centro de un hueco al centro de un diente. El tiempo que requiere la rueda para girar una distancia e es el tiempo del viaje de ida y vuelta 2L/c. En forma de ecuación:

Esta técnica del «rayo cortado” convenientemente modificada, Se usa en la actualidad para medir las velocidades de los, neutrones y de otras partículas.

EJEMPLO NUMÉRICO DEL RAZONAMIENTO La rueda usada por Fizeau tenía 720 dientes. ¿Cuál es la Velocidad angular mínima para la cual desaparecía la imagen de la fuente?

El ángulo e es de 1/1440 rev; despejando a  de la ecuación anterior resulta:

El físico francés Foucault (1819-1868) mejoró notablemente el método de Fizeau sustituyendo un espejo giratorio por la rueda dentada. El físico norteamericano Albert A. Míchelson (1852-1931) efectuó durante un periodo de 50 años una extensa serie de medición de c, usando esta técnica.

Debemos considerar la velocidad de la luz dentro del marco más amplio de la velocidad de las radiaciones electromagnéticas en general.

Es una confirmación experimental importante de la teoría de Maxwell del electromagnetismo que la velocidad en el espacio libre de ondas en todas las partes del espectro electromagnético tiene el mismo valor e. La tabla mas abajo muestra los resultados de algunas mediciones que se han hecho de la velocidad de la radiación electromagnética desde la época de Galileo.

Es un verdadero monumento a la perseverancia y al ingenio humano. Nótese, en la última columna, cómo se ha mejorado la incertidumbre en las mediciones al correr de los años.

Nótese también el carácter internacional del esfuerzo y la variedad de los métodos.

El trabajo de llegar a un solo valor “mejor” de e a partir de los muchos consignados en la tabla es difícil, porque implica un estudio cuidadoso de cada una de las mediciones efectuadas y una selección de entre ellas, fundada en las incertidumbres reconocidas por los experimentadores y el juicio del seleccionador por lo que se refiere a la presencia o ausencia probable de errores ocultos.

Al hacer el promedio final, se dará más peso a las mediciones que tengan pequeñas incertidumbres que a las que tengan grandes incertidumbres.

Mediante un cuidadoso análisis de tales mediciones fue como en 1964 se llegó al “mejor” valor de c = 2.997925x 1O⁸ m/seg. La incertidumbre de la medición es de menos de 0.000003 X 10^{8 m/seg. o sea, 0,0001%}

^{Fuente Consultada: Física I Resnick-Holliday Tomo 1}