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Velocidad de la luz

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  • 1. - Velocidad de la luz- Descripción- Definición del metro- Velocidad constante para todos los marcos de referencia- Interacción con materiales transparentes- Más rápida que la luz- Experimentos para retardar la luz- Historia La velocidad de la luz en el vacío es por definición una constanteuniversal de valor 299.792.458 m/s (suele aproximarse a 3·108 m/s), o lo quees lo mismo 9,46·1015 m/año; la segunda cifra es la usada para definir alintervalo llamado año luz. Se simboliza con la letra c, proveniente del latín celéritās (en españolceleridad 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 elSistema 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 supermitividad eléctrica, de su permeabilidad magnética, y otras característicaselectromagnéticas. En medios materiales, esta velocidad es inferior a "c" yqueda codificada en el índice de refracción. En modificaciones del vacío mássutiles, como espacios curvos, efecto Casimir, poblaciones térmicas opresencia de campos externos, la velocidad de la luz depende de la densidadde energía de ese vacío.
  • 2. La luz solar tarda aproximadamente 8minutos y 19 segundos en llegar a laTierra. Valores exactos metros porsegundo 299.792.458 Unidades dePlanck 1 Valores aproximadoskilómetros por segundo 300.000kilómetros por hora 1.079 millonesUnidad astronómica por día 173Duración aproximada del tiempo quetarda la luz en recorrer Distancia:Tiempo: un metro 3,3 ns un kilómetro3,3 μs desde la órbita geoestacionariaa la Tierra 0,12 s la longitud delEcuador terrestre 0,13 s desde la Lunaa la Tierra 1,28 s desde el Sol a laTierra (1 ua) 8,32 min un parsec 3,26 años desde Alfa Centauri a la Tierra 4,4 años desde la galaxia máscercana a la Tierra 25.000 años a través de la Vía Láctea 100.000 años desde la galaxia de Andrómeda ala Tierra 2,5 millones de añosDescripción De acuerdo con la física moderna estándar, toda radiaciónelectromagnética (incluida la luz visible) se propaga o mueve a una velocidadconstante en el vacío, conocida común —aunque impropiamente— como"velocidad de la luz" (magnitud vectorial), en vez de "rapidez de la luz"(magnitud escalar). Ésta es una constante física denotada como c. La rapidezc es también la rapidez de la propagación de la gravedad en la Teoría generalde la relatividad. Una consecuencia en las leyes del electromagnetismo (tales como lasecuaciones de Maxwell) es que la rapidez c de radiación electromagnética nodepende de la velocidad del objeto que emite la radiación. Así, por ejemplo,la luz emitida de una fuente de luz que se mueve rápidamente viajaría a lamisma velocidad que la luz proveniente de una fuente estacionaria (aunque elcolor, la frecuencia, la energía y el momentum de la luz cambiarán; fenómenoque se conoce como efecto Doppler). Si se combina esta observación con el principio de relatividad, seconcluye que todos los observadores medirán la velocidad de la luz en elvacío como una misma, sin importar el marco de referencia del observador o
  • 3. la velocidad del objeto que emite la luz. Debido a esto, se puede ver a c comouna constante física fundamental. Este hecho, entonces, puede ser usadocomo base en la teoría de relatividad especial. La constante es la rapidez c, envez de la luz en sí misma, lo cual es fundamental para la relatividad especial.De este modo, si la luz es de alguna manera retardada para viajar a unavelocidad menor a c, esto no afectará directamente a la teoría de relatividadespecial. Observadores que viajan a grandes velocidades encontrarán que lasdistancias y los tiempos se distorsionan de acuerdo con la transformación deLorentz. Sin embargo, las transformaciones distorsionan tiempos y distanciasde manera que la velocidad de la luz permanece constante. Una personaviajando a una velocidad cercana a c también encontrará que los colores de laluz al frente se tornan azules y atrás se tornan rojos. Si la información pudiese viajar más rápido que c en un marco dereferencia, la causalidad sería violada: en otros marcos de referencia, lainformación sería recibida antes de ser mandada; así, la causa podría serobservada después del efecto. Debido a la dilatación del tiempo de larelatividad especial, el cociente del tiempo percibido entre un observadorexterno y el tiempo percibido por un observador que se mueve cada vez máscerca de la velocidad de la luz se aproxima a cero. Si algo pudiera moversemás rápidamente que luz, este cociente no sería un número real. Tal violaciónde la causalidad nunca se ha observado. Un haz de láser en el aire viajando cerca del 99,97% de la rapidez de la luz en el vacío (el índice de refracción del aire es alrededor de 1,0003).
  • 4. Existe, sin embargo, un experimento inquietante realizado por los científicosdel "NEC Research Institute at Princeton ", los cuales afirman haber logradopulsos de luz a una rapidez 300 veces superior a c. (Es necesario notar que se trata de un experimento no confirmado nipublicado aún). Un cono de luz define la ubicación que está en contacto causal yaquellas que no lo están. Para exponerlo de otro modo, la información sepropaga de y hacia un punto de regiones definidas por un cono de luz. Elintervalo AB en el diagrama a la derecha es "tiempo-como" (es decir, hay unmarco de la referencia en qué acontecimiento A y B ocurren en la mismaubicación en el espacio, separados solamente por su ocurrencia en tiemposdiferentes, y si A precede B en ese marco entonces A precede B en todosmarcos: no hay marco de referencia en el cual el evento A y el evento Bocurren simultáneamente). De este modo, es hipotéticamente posible para lamateria (o la información) viajar de A hacia B, así que puede haber unarelación causal (con A la causa y B el efecto). Por otra parte, el intervalo AC es "espacio-como" (es decir, existe unmarco de referencia donde el evento A y el evento B ocurrensimultáneamente). Sin embargo, también existen marcos en los que A precedea C o en el que C precede a A. Confinando una manera de viajar más rápidoque la luz, no será posible para ninguna materia (o información) viajar de Ahacia C o de C hacia A. De este modo no hay conexión causal entre A y C. De acuerdo a la definición actual, adoptada en 1983, la rapidez de la luzes exactamente 299.792.458 m/s (aproximadamente 3 × 108 metros porsegundo, 300.000 km/s o 300 m por millonésima de s).El valor de c define la permitividad eléctrica del vacío ( ) en unidades delSIU como: La permeabilidad magnética del vacío (μ0) no es dependiente de c y esdefinida en unidades del SIU como: .
  • 5. Estas constantes aparecen en las ecuaciones de Maxwell, que describen elelectromagnetismo y están relacionadas por: Las distancias astronómicas son normalmente medidas en años luz (quees la distancia que recorre la luz en un año, aproximadamente 9,454256 ×1012 km (9 billones de km).Definición del metro Históricamente, el metro ha sido definido como una fracción de lalongitud de un meridiano a través de París, con referencia a la barra estándary con referencia a una longitud de onda de una frecuencia particular de la luz.Desde 1983 el metro ha sido definido en referencia al segundo y la velocidadde la luz. En 1967 la XIII Conferencia General de Pesos y Medidas definió alsegundo del tiempo atómico como la duración de 9.192.631.770 períodos deradiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos delestado fundamental del átomo cesio-133, que en la actualidad sigue siendo ladefinición del segundo. En 1983 la Conferencia General de Pesos y Medidas definió el metrocomo la longitud de la trayectoria viajada por la luz en absoluto vacío duranteun intervalo de tiempo de 1/299.792.458 de segundo, basándose en laconstancia de la rapidez de la luz para todos los observadores. Esto significaque al medir la rapidez de la luz, al hallar cualquier diferencia medible de losvalores definidos, entonces la longitud de tiempo estándar es incorrecta, o
  • 6. está exhibiendo un cambio desde el último momento en que fue medida. Sital cambio fuese real en la física, y no un error adjudicable a una perturbación(como un cambio de temperatura o un choque mecánico), entonces se habríahecho un importante descubrimiento. La motivación en el cambio de la definición del metro, así como todoslos cambios en la definición de unidades, fue proveer una definición precisade la unidad que pudiese ser fácilmente usada para calibrar homogéneamentedispositivos en todo el mundo. La barra estándar no era práctica en estesentido, ya que no podía ser sacada de su cámara o utilizada por doscientíficos al mismo tiempo. También era propensa a cambios masivos delongitud (comparados a la exactitud requerida) debido a variaciones detemperatura, por lo que requirió un largo tiempo de ajustes, desgaste de losextremos, oxidación, etc., lo que se convirtió en importantes problemas en labúsqueda de la exactitud perfecta. La velocidad de la luz es de gran importancia para lastelecomunicaciones. Por ejemplo, dado que el perímetro de la Tierra es de40.075 km (en la línea ecuatorial) y c es teóricamente la velocidad más rápidaen la que un fragmento de información puede viajar, el período más corto detiempo para llegar al otro extremo del globo terráqueo sería 0,067 s.En la actualidad el tiempo de viaje es un poco más largo, en parte debido aque la velocidad de la luz es cerca de un 30% menor en una fibra óptica, yraramente existen trayectorias rectas en las comunicaciones globales; ademásse producen retrasos cuando la señal pasa a través de interruptores eléctricoso generadores de señales. En 2004, el retardo típico de recepción de señalesdesde Australia o Japón hacia los EE.UU. era de 0,18 s. Adicionalmente, lavelocidad de la luz afecta al diseño de las comunicaciones inalámbricas. La velocidad finita de la luz se hizo aparente a todo el mundo en elcontrol de comunicaciones entre el Control Terrestre de Houston y NeilArmstrong, cuando éste se convirtió en el primer hombre que puso un piesobre la Luna: después de cada pregunta, Houston tenía que esperar cerca de3 s para el regreso de una respuesta aún cuando los astronautas respondíaninmediatamente.
  • 7. De manera similar, el control remoto instantáneo de una naveinterplanetaria es imposible debido a que una nave suficientemente alejada denuestro planeta podría tardar algunas horas desde que envía información alcentro de control terrestre y recibe las instrucciones. La velocidad de la luz también puede tener influencia en distanciascortas. En los superordenadores la velocidad de la luz impone un límite derapidez a la que pueden ser enviados los datos entre procesadores. Si unprocesador opera a 1 GHz, la señal sólo puede viajar a un máximo de300 mm en un ciclo único. Por lo tanto, los procesadores deben ser colocadoscerca uno de otro para minimizar los retrasos de comunicación. Si lasfrecuencias de un reloj continúan incrementándose, la rapidez de la luzfinalmente se convertirá en un factor límite para el diseño interno de chipsindividuales.
  • 8. FísicaVelocidad constante para todos los marcos dereferencia Es importante observar que la velocidad de la luz no es un límite develocidad en el sentido convencional. Un observador que persigue un rayo deluz lo mediría al moverse paralelamente él mismo viajando a la mismavelocidad como si fuese un observador estacionario. Esto conllevaría aconsecuencias inusuales para la velocidad. La mayoría de los individuos están acostumbrados a la regla de laadición de velocidades: si dos coches se acercan desde direcciones opuestas,cada uno viajando a una velocidad de 50 km/h, se esperaría (con un altogrado de precisión) que cada coche percibiría al otro en una velocidadcombinada de 50 + 50=100 km/h. Sin embargo, a velocidades cercanas a la de la luz, en resultadosexperimentales se hace claro que esta regla no se puede aplicar. Dos navesque se aproximen una a otra, cada una viajando al 90% de la velocidad de laluz relativas a un tercer observador entre ellas, no se percibirán mutuamente aun 90% + 90%=180% de la velocidad de la luz. En su lugar, cada unapercibirá a la otra aproximándose a menos de un 99,5% de la velocidad de laluz. Este resultado se da por la fórmula de adición de la velocidad deEinstein: 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 queun observador se mueva relativamente hacia otro observador, ambos mediránla velocidad de un rayo de luz que se avecina con el mismo valor constante,
  • 9. la velocidad de la luz. La ecuación anterior fue derivada por Einstein de su teoría de relatividadespecial, la cual toma el principio de relatividad como premisa principal. Esteprincipio (originalmente propuesto por Galileo Galilei) requiere que actúenleyes físicas de la misma manera en todos los marcos de referencia. Ya que las ecuaciones de Maxwell otorgan directamente una velocidadde la luz, debería ser lo mismo para cada observador; una consecuencia quesonaba obviamente equivocada para los físicos del siglo XIX, quienesasumían que la velocidad de la luz dada por la teoría de Maxwell es válida enrelación al "éter lumínico". Pero el experimento de Michelson y Morley, puede que el más famoso yútil 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 losmarcos de referencia. Aunque no se sabe si Einstein conocía los resultados de losexperimentos de Michelson y Morley, él dio por hecho que la velocidad de laluz era constante, lo entendió como una reafirmación del principio derelatividad de Galileo, y dedujo las consecuencias, ahora conocidas como lateoría de la relatividad especial, que incluyen la anterior fórmula auto-intuitiva.Interacción con materiales transparentes El índice de refracción de un material indica cómo de lenta es lavelocidad de la luz en ese medio comparada con el vacío. La disminución dela velocidad de la luz en los materiales puede causar la refracción, según lodemostrado por este prisma (en el caso de una luz blanca que parte del prismaen un espectro de colores, la refracción se conocen como dispersión). Al pasar a través de los materiales, la luz se propaga a una velocidadmenor que c por el cociente llamado «índice de refracción» del material. Larapidez de la luz en el aire es sólo levemente menor que c.
  • 10. Medios más densos, como el agua y el vidrio, pueden disminuir más larapidez de la luz, a fracciones como 3/4 y 2/3 de c. Esta disinución develocidad también es responsable de doblar la luz en una interfase entre dosmateriales con índices diferentes, un fenómeno conocido como refracción. El índice de refracción "n" de un medio viene dado por la siguienteexpresión, donde "v" es la velocidad de la luz en ese medio: Ya que la velocidad de la luz en los materiales depende del índice derefracción, y el índice de refracción depende de la frecuencia de la luz, la luza diferentes frecuencias viaja a diferentes velocidades a través del mismomaterial. Esto puede causar distorsión en ondas electromagnéticascompuestas por múltiples frecuencias; un fenómeno llamado dispersión. Los ángulos de incidencia (i) y de refracción (r) entre dos medios, y losíndices de refracción, están relacionados por la Ley de Snell. Los ángulos semiden con respecto al vector normal a la superficie entre los medios: A escala microscópica, considerando la radiación electromagnéticacomo una partícula, la refracción es causada por una absorción continua y re-emisión de los fotones que componen la luz a través de los átomos omoléculas por los que está atravesando. En cierto sentido, la luz por sí mismaviaja sólo a través del vacío existente entre estos átomos, y es impedida porlos átomos. Alternativamente, considerando a la radiación electromagnéticacomo una onda, las cargas de cada átomo (primariamente electrones)interfieren con los campos eléctricos y electromagnéticos de la radiación,retardando su progreso.
  • 11. Refracción de la luz.Más rápida que la luz Una evidencia experimental reciente demuestra que es posible para lavelocidad de grupo de la luz exceder c. Un experimento hizo que la velocidadde grupo de rayos láser viajara distancias extremadamente cortas a través deátomos de cesio a 300 veces c. Sin embargo, no es posible usar esta técnicapara transferir información más rápido que c: la rapidez de la transferencia deinformación depende de la velocidad frontal (la rapidez en la cual el primerincremento de un pulso sobre cero la mueve adelante) y el producto de lavelocidad agrupada y la velocidad frontal es igual al cuadrado de la velocidadnormal de la luz en el material. El exceder la velocidad de grupo de la luz de esta manera, escomparable a exceder la velocidad del sonido emplazando personas en unalínea espaciada equidistantemente, y pidiéndoles a todos que griten unapalabra uno tras otro con intervalos cortos, cada uno midiendo el tiempo almirar su propio reloj para que no tengan que esperar a escuchar el grito de lapersona previa. La rapidez de la luz también puede parecer superada en cierto fenómenoque incluye ondas evanescentes, tales como túneles cuánticos. Losexperimentos indican que la velocidad de fase de ondas evanescentes puedenexceder a c; sin embargo, parecería que ni la velocidad agrupada ni lavelocidad frontal exceden c, así, de nuevo, no es posible que la informaciónsea transmitida más rápido que c. En algunas interpretaciones de la mecánica cuántica, los efectos
  • 12. cuánticos pueden ser retransmitidos a velocidades mayores que c (de hecho,la acción a distancia se ha percibido largamente como un problema con lamecánica cuántica: ver paradoja EPR). Por ejemplo, los estados cuánticos dedos partículas pueden estar enlazados, de manera que el estado de unapartícula condicione el estado de otra partícula (expresándolo de otra manera,uno debe tener un giro de +½ y el otro debe girar -½). Hasta que laspartículas son observadas, éstas existen en una superposición de dos estadoscuánticos (+½, –½) y (–½, +½). Si las partículas son separadas y una de ellases observada para determinar su estado cuántico, entonces el estado cuánticode la segunda partícula se determina automáticamente. Si, en algunasinterpretaciones de mecánica cuántica, se presume que la información acercadel estado cuántico es local para una partícula, entonces se debe concluir quela segunda partícula toma su estado cuántico instantáneamente, tan prontocomo la primera observación se lleva a cabo. Sin embargo, es imposiblecontrolar qué estado cuántico tomará la primera partícula cuando seaobservada, así que ninguna información puede ser transmitida de estamanera. Las leyes de la física también parecen prevenir que la informaciónsea transmitida a través de maneras más astutas, y esto ha llevado a laformulación de reglas tales como el teorema de no clonación. El llamado movimiento superluminar también es visto en ciertos objetosastronómicos, tales como los jet de Galaxia activa, galaxias activas ycuásares. Sin embargo, estos jets no se mueven realmente a velocidadesexcedentes a la de la luz: el movimiento aparente superluminar es unaproyección del efecto causado por objetos moviéndose cerca de la velocidadde la luz en un ángulo pequeño del horizonte de visión. Aunque puede sonar paradójico, es posible que las ondas expansivas sehayan formado con la radiación electromagnética, ya que una partículacargada que viaja a través de un medio insolado, interrumpe el campoelectromagnético local en el medio. Los electrones en los átomos del medioson desplazados y polarizados por el campo de la partícula cargada, y losfotones que son emitidos como electrones se restauran a sí mismos paramantener el equilibrio después de que la interrupción ha pasado (en unconductor, la interrupción puede ser restaurada sin emitir un fotón). En circunstancias normales, estos fotones interfieren destructivamenteunos con otros y no se detecta radiación. Sin embargo, si la interrupción viaja
  • 13. más rápida que los mismos fotones, los fotones interferiránconstructivamente e intensificarán la radiación observada. El resultado(análogo a una explosión sónica) es conocido como radiación Cherenkov. La habilidad de comunicarse o viajar más rápido que la luz es un temapopular en la ciencia ficción. Se han propuesto partículas que viajan másrápido que la luz, taquiones, doblados por la física de partículas, aunquenunca se han observado. Algunos físicos (entre ellos João Magueijo y John Moffat) hanpropuesto que en el pasado la luz viajaba mucho más rápido que a lavelocidad actual. Esta teoría se conoce como velocidad de la luz variable, ysus proponentes afirman que este fenómeno tiene la habilidad de explicarmejor muchos enigmas cosmológicos que su teoría rival, el modeloinflacionario del universo. Sin embargo, esta teoría no ha ganado suficienteaceptación.Experimentos para retardar la luz Fenómenos refractivos tales como el arco iris tienden a retardar lavelocidad de la luz en un medio (como el agua, por ejemplo). En ciertosentido, cualquier luz que viaja a través de un medio diferente del vacío viajaa una velocidad menor que c como resultado de la refracción. Sin embargo,ciertos materiales tienen un índice de refracción excepcionalmente alto: enparticular, la densidad óptica del condensado de Bose-Einstein puede ser muyalta. En 1999, un equipo de científicos encabezados por Lene Hau pudodisminuir la velocidad de un rayo de luz a cerca de 17 m/s, y en 2001pudieron detener momentáneamente un rayo de luz. En 2003, Mijaíl Lukin, junto con científicos de la Universidad Harvardy el Instituto de Física Lébedev (de Moscú), tuvieron éxito en detenercompletamente la luz al dirigirla a una masa de gas rubidio caliente, cuyosátomos, en palabras de Lukin, se comportaron como «pequeños espejos»debido a los patrones de interferencia en dos rayos de control.
  • 14. Historia Hasta tiempos relativamente recientes, la velocidad de la luz fue un temasujeto a grandes conjeturas. Empédocles creía que la luz era algo enmovimiento, y que por lo tanto en su viaje tenía que transcurrir algún tiempo. Aristóteles por el contrario, creía que «la luz está sujeta a la presencia dealgo, pero no es el movimiento». Además, si la luz tiene una velocidad finita,ésta tenía que ser inmensa. Aristóteles afirmó: «La tensión sobre nuestropoder de creencias es demasiado grande para creer esto». Una de las teorías antiguas de la visión es que la luz es emitida por elojo, en lugar de ser generada por una fuente y reflejada en el ojo. En estateoría, Herón de Alejandría adelantó el argumento de que la velocidad de laluz debería ser infinita, ya que cuando uno abre los ojos objetos distantescomo las estrellas aparecen inmediatamente.Islam Los filósofos islámicos Avicena y Alhazen creían que la luz tenía unavelocidad finita, aunque en este punto otros filósofos convinieron conAristóteles.Hinduismo La escuela Ayran de filosofía en la antigua India también mantuvo quela velocidad de la luz era finita.Europa Johannes Kepler creía que la velocidad de la luz era finita ya que elespacio vacío no representa un obstáculo para ella. Francis Bacon argumentóque la velocidad de la luz no es necesariamente finita, ya que algo puedeviajar tan rápido como para ser percibido. René Descartes argumentó que si la velocidad de la luz era finita, el Sol,la Tierra y la Luna estarían perceptiblemente fuera de alineación durante uneclipse lunar. Debido a que tal desalineación no se ha observado, Descartes
  • 15. concluyó que la velocidad de la luz es infinita. De hecho, Descartes estabaconvencido de que si la velocidad de la luz era finita, todo su sistema defilosofía sería refutado.Medición de la rapidez de la luz La historia de la medición de la velocidad de la luz comienza en el sigloXVII en los albores de la revolución científica. La mayor parte de losprimeros experimentos para intentar medir la velocidad de la luz fracasarondebido a su alto valor, y tan solo se pudieron obtener medidas indirectas apartir de fenómenos astronómicos. En el siglo XIX se pudieron realizar losprimeros experimentos directos de medición de la velocidad de la luzconfirmando su naturaleza electromagnética y las ecuaciones de Maxwell.Primeros intentos En 1629 Isaac Beeckman, un amigo de René Descartes, propuso unexperimento en el que se pudiese observar el flash de un cañón reflejándoseen un espejo ubicado a 1,6 km del primero. En 1638, Galileo propuso unexperimento, para medir la velocidad de la luz al observar la percepción delretraso entre el lapso de destapar una linterna a lo lejos. René Descartescriticó este experimento como algo superfluo, en el hecho de que laobservación de eclipses, los cuales tenían más poder para detectar unarapidez finita, dio un resultado negativo. En 1667, este experimento se llevó acabo por la Academia del Cimento de Florencia, con las linternas separadas a1,6 km sin observarse ningún retraso. Robert Hooke explicó los resultadosnegativos tal como Galileo había dicho: precisando que tales observacionesno establecerían la infinita velocidad de la luz, sino tan sólo que dichavelocidad debía ser muy grande.Primeras mediciones En 1676 Ole Rømer realizó el primer estimado cuantitativo de lavelocidad de la luz, estudiando el movimiento del satélite Ío de Júpiter con untelescopio. Es posible medir el tiempo de la revolución de Ío debido a losmovimientos de la sombra entrante/saliente de Júpiter en intervalos regulares.Rømer observó que Ío gira alrededor de Júpiter cada 42,5 h cuando la Tierraesta más cerca de Júpiter. También observó que, como la Tierra y Júpiter se
  • 16. mueven separándose, la salida de Ío fuera de la proyección de la sombracomenzaría progresivamente más tarde de lo predicho. Las observacionesdetalladas mostraban que estas señales de salida necesitaban más tiempo enllegar a la Tierra, ya que la Tierra y Júpiter se separaban cada vez más. Deeste modo el tiempo extra utilizado por la luz para llegar a la Tierra podíautilizarse para deducir la rapidez de ésta. 6 meses después, las entradas de Íoen la proyección de la sombra ocurrían con mayor frecuencia ya que la Tierray Júpiter se acercaban uno a otro. Con base a estas observaciones, Rømerestimó que la luz tardaría 22 min en cruzar el diámetro de la órbita de laTierra (es decir, el doble de la unidad astronómica); las estimacionesmodernas se acercan más a la cifra de 16 min y 40 s. Alrededor de la misma época, la unidad astronómica se estimaba encerca de 140 millones de km. La unidad astronómica y la estimación deltiempo de Rømer fueron combinados por Christian Huygens, quien consideróque la velocidad de la luz era cercana a 1000 diámetros de la Tierra porminuto, es decir, unos 220.000 km/s, muy por debajo del valor actualmenteaceptado, pero mucho más rápido que cualquier otro fenómeno físicoentonces conocido. Isaac Newton también aceptó el concepto de velocidad finita. En sulibro Opticks expone el valor más preciso de 16 minutos por diámetro, el cualparece él dedujo por sí mismo (se desconoce si fue a partir de los datos deRømer, o de alguna otra manera). El mismo efecto fue subsecuentemente observado por Rømer en unpunto rotando con la superficie de Júpiter. Observaciones posteriores tambiénmostraron el mismo efecto con las otras tres lunas Galileanas, donde era másdifícil de observar al estar estos satélites más alejados de Júpiter y proyectarsombras menores sobre el planeta. Aunque por medio de estas observaciones, la velocidad finita de la luzno fue establecida para la satisfacción de todos (notablemente Jean-Dominique Cassini), después de las observaciones de James Bradley (1728),la hipótesis de velocidad infinita se consideró totalmente desacreditada.Bradley dedujo que la luz de las estrellas cayendo sobre la Tierra pareceríanprovenir en un ángulo leve, que podría ser calculado al comparar la velocidadde la Tierra en su órbita con la velocidad de la luz. Se observó esta llamadaaberración de la luz, estimándose en 1/200 de un grado.
  • 17. Bradley calculó la velocidad de la luz en alrededor de 298.000 km/s. Estaaproximación es solamente un poco menor que el valor actualmenteaceptado. El efecto de aberración fue estudiado extensivamente en los siglosposteriores, notablemente por Friedrich Georg Wilhelm Struve y MagnusNyren. La segunda medida acertada de la velocidad de la luz usando un aparatoterrestre fue realizada por Hippolyte Fizeau en 1849. El experimento deFizeau era conceptualmente similar a aquellos propuestos por Beeckman yGalileo. Un rayo de luz se dirigía a un espejo a cientos de metros dedistancia. En su trayecto de la fuente hacia el espejo, el rayo pasaba a travésde un engranaje rotatorio. A cierto nivel de rotación, el rayo pasaría a travésde un orificio en su camino de salida y en otro en su camino de regreso. Peroen niveles ligeramente menores, el rayo se proyectaría en uno de los dientes yno pasaría a través de la rueda. Conociendo la distancia hacia el espejo, elnúmero de dientes del engrane, y el índice de rotación, se podría calcular lavelocidad de la luz. Fizeau reportó la velocidad de la luz como 313.000 km/s.El método de Fizeau fue refinado más tarde por Marie Alfred Cornu (1872) yJoseph Perrotin (1900) pero fue el físico francés Léon Foucault quien másprofundizó en la mejoras del método de Fizeau al reemplazar el engranajecon un espejo rotatorio. El valor estimado por Foucault, publicado en 1862,fue de 298.000 km/s. El método de Foucault también fue usado por SimonNewcomb y Albert Michelson, quien comenzó su larga carrera replicando ymejorando este método. En 1926, Michelson utilizó espejos rotatorios para medir el tiempo quetardaba la luz en hacer un viaje de ida y vuelta entre la montaña Wilson y lamontaña San Antonio en California. Las medidas exactas rindieron unavelocidad de 299.796 km/s.
  • 18. Diagrama del aparatode Fizeau-Foucault.Relatividad Con base en el trabajo de James Clerk Maxwell, se sabe que lavelocidad de la radiación electromagnética es una constante definida por laspropiedades electromagnéticas del vacío (constante dieléctrica ypermeabilidad). En 1887, los físicos Albert Michelson y Edward Morley realizaron elinfluyente experimento Michelson-Morley para medir la velocidad de la luzrelativa al movimiento de la Tierra. La meta era medir la velocidad de laTierra a través del éter, el medio que se pensaba en ese entonces necesariopara la transmisión de la luz. Tal como se muestra en el diagrama deinterferómetro de Michelson, se utilizó un espejo con media cara plateadapara dividir un rayo de luz monocromática en dos rayos viajando en ángulosrectos uno respecto del otro. Después de abandonar la división, cada rayo erareflejado de ida y vuelta entre los espejos en varias ocasiones (el mismonúmero para cada rayo para dar una longitud de trayectoria larga pero igual;el experimento Michelson-Morley actual usa más espejos) entonces una vezrecombinados producen un patrón de interferencia constructiva y destructiva. Cualquier cambio menor en la velocidad de la luz en cada brazo delinterferómetro cambiaría la cantidad de tiempo gastada en su tránsito, quesería observado como un cambio en el patrón de interferencia. En elacontecimiento, el experimento dio un resultado nulo.
  • 19. Ernst Mach estuvo entre los primeros físicos que sugirieron que elresultado del experimento era una refutación a la teoría del éter. El desarrolloen física teórica había comenzado a proveer una teoría alternativa, lacontracción de Lorentz, que explicaba el resultado nulo del experimento. Es incierto si Einstein sabía los resultados de los experimentos deMichelson y Morley, pero su resultado nulo contribuyó en gran medida a laaceptación de su teoría de relatividad. La teoría de Einstein no requirió unelemento etérico sino que era completamente consistente con el resultadonulo del experimento: el éter no existe y la velocidad de la luz es la misma encada dirección. La velocidad constante de la luz es uno de los postuladosfundamentales (junto con el principio de causalidad y la equivalencia de losmarcos de inercia) de la relatividad especial.

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