Medición de la velocidad de la luz

Por largo tiempo, la luz fue un fenómeno misterioso, y fueron los antiguos griegos quienes por primera vez discutieron sobre cómo se mueve la luz. Aunque Empédocles (492-432, a. C.) estaba en el camino correcto al postular que la luz del Sol se debía demorar un cierto tiempo en alcanzar la tierra, finalmente, se impuso la idea de Aristóteles (384-322, a. C.), quien consideraba que la luz “era instantánea”.

Las discusiones habrían continuado sin fin, de no ser por Galileo (1564-1642), quien desestimó la suposición de instantaneidad de la velocidad de la luz y propuso un método para determinar su velocidad.

El método para medir la velocidad de la luz (c) y su valor actual

En el método de Galileo, dos observadores con lámparas encendidas -pero cubiertas- se separan a una distancia conocida. Uno descubre su lámpara y el segundo observador, en cuanto la percibe, descubre la suya. Si los observadores miden el tiempo transcurrido, entonces pueden calcular la velocidad de acuerdo a la fórmula:

Velocidad = espacio recorrido / tiempo empleado en recorrerlo

El mismo Galileo, trabajando a distancias de separación de alrededor de 1.000 metros, no pudo detectar retardo alguno. Esto lo llevó a sugerir que la luz viajaba a lo menos diez veces más rápido que el sonido. Hoy sabemos que el valor de la velocidad de la luz es muy grande (ver más abajo), por eso entendemos por qué Galileo no detectó ningún retardo en el tiempo, ya que la luz recorre los 1.000 metros en 3,3 millonésimas de segundo (3,3 x10-6 s). Medir tiempos tan breves en el siglo XVII era imposible.

El valor actual de la velocidad de la luz (c) fue adoptado en la Conferencia General de Pesos y Medidas del año 1983 y es de c=299 792 458 metros por segundo, es decir, cerca de 300 millones de metros por segundo o 3 x 108 m s-1. Este se considera un valor exacto y con ayuda de él se define la unidad de longitud denominada metro. Un metro es la distancia que recorre la luz en el vacío en el lapso de tiempo de 1 / 299 792 458 de segundo.

Las primeras mediciones de c

El primer valor confiable de la velocidad de la luz no pertenece al método terrestre -de los pulsos de luz- ya descrito. Ese valor se dedujo a partir de observaciones astronómicas en que se estudiaban los tiempos de rotación de los satélites de Júpiter. Para la comunidad científica del siglo XIX, determinar la velocidad de un rayo de luz que viaja entre dos puntos en la Tierra se mantenía aún como un desafío.

Alrededor de 1850, y casi en forma simultánea, se implementaron en Francia dos técnicas muy similares para medir por primera vez en “tierra” el valor de la velocidad de la luz. Detalles de estas mediciones se pueden ver junto a los experimentos aquí presentados.

El primero en tener éxito fue Armande Fizeau (1819-1896). Fizeau utilizó una rueda dentada a través de la cual un rayo de luz salía y volvía después de rebotar en un espejo lejano. Su método reportó un valor algo mayor que el aceptado actualmente.

Luego, unos meses más tarde, Jean Foucault (1819-1868) utilizó espejos rotatorios (en lugar de la rueda). Foucault reportó a la Academia de Ciencias que la velocidad de la luz en el agua era menor que en el aire.

La técnica de espejos rotatorios fue refinada posteriormente por otros investigadores, entre ellos Albert Michelson (1852-1931), quien en 1878, en Maryland (Estados Unidos), midió el valor de c en forma más precisa empleando una mayor separación entre los espejos.

La velocidad de la luz como constante y la teoría de la relatividad especial

A fin de mejorar sus mediciones, Michelson desarrolló un instrumento denominado interferómetro, que hoy lleva su nombre. Luego, junto a Edward Morley (1838-1923), realizó experimentos para detectar la presencia del “éter” o medio que (se suponía) llenaba todo el universo y a través del cual se propagaba la luz. Sus resultados (cada vez más perfectos, pero siempre negativos) no poseían explicación en términos de la física clásica de Newton.

En 1864, James C. Maxwell (1831-1879) formuló matemáticamente una teoría que reunía todos los resultados conocidos sobre electricidad y magnetismo. Las cuatro ecuaciones de Maxwell (como se las conoce) sintetizaban las propiedades e interrelaciones entre electricidad y magnetismo, pero, además, predecían la existencia de ondas electromagnéticas, así como también su velocidad. Estas ondas fueron generadas y detectadas por primera vez en 1887 por Heinrich Hertz (1857-1884).

La velocidad de estas ondas en el vacío era coincidente con los valores medidos de la velocidad de la luz. Se concluyó entonces que la luz no era otra cosa que una onda electromagnética en el rango de longitudes de onda “visible” para nosotros.Sin embargo, algo estaba mal en los fundamentos de la física, ya que los resultados de la teoría de Newton de la mecánica clásica y los resultados de la teoría del electromagnetismo de Maxwell eran incompatibles e irreconciliables.

Esto llevó a Albert Einstein a proponer la teoría especial de la relatividad en 1905, en un artículo titulado “Sobre la electrodinámica de cuerpos móviles” en el que aparece su famoso segundo postulado “la velocidad de las ondas electromagnéticas en el vacío es constante”. En este trabajo, Einstein probó que las ecuaciones de Maxwell eran consistentes con el recién introducido principio de la relatividad y con la constancia de la velocidad de la luz para todos los observadores inerciales.

Álvaro San Martín, del Departamento de Física, Facultad de Ciencia, Universidad de Santiago de Chile.

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Método de Fizeau.

Chile y los terremotos



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