La velocidad de la luz en el vacío , comúnmente denominada c , es una constante física universal importante en muchas áreas de la física . Su valor exacto se define como299 792 458 metros por segundo (aproximadamente 300 000 km / s, o 186 000 mi / s). [Nota 3] Es exacta porque, por acuerdo internacional, un metro se define como la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1 ⁄299 792 458 segundos. [Nota 4] [3] Segúnla relatividad especial,ces el límite superior de la velocidad a la que lamateriaconvencional, la energía o cualquierseñal quelleve información puede viajar a través delespacio.
Valores exactos | |
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metros por segundo | 299 792 458 |
Valores aproximados (a tres dígitos significativos) | |
kilometros por hora | 1 080 000 000 |
millas por segundo | 186 000 |
millas por hora [1] | 671 000 000 |
unidades astronómicas por día | 173 [Nota 1] |
parsecs por año | 0.307 [Nota 2] |
Tiempos de recorrido aproximados de la señal luminosa | |
Distancia | Hora |
un pie | 1,0 ns |
un metro | 3,3 ns |
de la órbita geoestacionaria a la Tierra | 119 ms |
la longitud del ecuador de la Tierra | 134 ms |
de la luna a la tierra | 1,3 s |
del Sol a la Tierra (1 AU ) | 8,3 min |
un año luz | 1.0 año |
un parsec | 3,26 años |
de la estrella más cercana al Sol ( 1.3 pc ) | 4,2 años |
desde la galaxia más cercana (la galaxia enana de Canis Major ) a la Tierra | 25 000 años |
a través de la Vía Láctea | 100 000 años |
de la Galaxia de Andrómeda a la Tierra | 2,5 millones de años |
Aunque esta velocidad se asocia más comúnmente con la luz, también es la velocidad a la que todas las partículas sin masa y las perturbaciones de campo viajan en el vacío, incluida la radiación electromagnética (de la cual la luz es un pequeño rango en el espectro de frecuencias) y las ondas gravitacionales . Tales partículas y ondas viajan en c independientemente del movimiento de la fuente o del marco de referencia inercial del observador. Las partículas con masa en reposo distinta de cero pueden acercarse a c , pero nunca pueden llegar a ella, independientemente del marco de referencia en el que se mida su velocidad. En las teorías de la relatividad especial y general , c interrelaciona espacio y tiempo , y también aparece en la famosa ecuación de equivalencia masa-energía , E = mc 2 . [4] En algunos casos, los objetos u ondas pueden parecer que viajan más rápido que la luz (por ejemplo , velocidades de fase de las ondas, la aparición de ciertos objetos astronómicos de alta velocidad y efectos cuánticos particulares ). Se entiende que la expansión del universo excede la velocidad de la luz más allá de cierto límite .
La velocidad a la que la luz se propaga a través de materiales transparentes , como el vidrio o el aire, es menor que c ; de manera similar, la velocidad de las ondas electromagnéticas en los cables de alambre es más lenta que c . La relación entre cy la velocidad v a la que viaja la luz en un material se denomina índice de refracción n del material ( n = c / v ). Por ejemplo, para la luz visible , el índice de refracción del vidrio es típicamente alrededor de 1.5, lo que significa que la luz en el vidrio viaja a c / 1.5 ≈ 200 000 km / s ( 124 000 mi / s) ; el índice de refracción del aire para la luz visible es de aproximadamente 1.0003, por lo que la velocidad de la luz en el aire es aproximadamente 90 km / s (56 mi / s) más lenta que c .
Para muchos propósitos prácticos, la luz y otras ondas electromagnéticas parecerán propagarse instantáneamente, pero para distancias largas y mediciones muy sensibles, su velocidad finita tiene efectos notables. Al comunicarse con sondas espaciales distantes , puede llevar de minutos a horas que un mensaje llegue de la Tierra a la nave espacial, o viceversa. La luz vista desde las estrellas las dejó hace muchos años, permitiendo el estudio de la historia del universo al observar objetos distantes. La velocidad finita de la luz también limita en última instancia la transferencia de datos entre la CPU y los chips de memoria en las computadoras . La velocidad de la luz se puede utilizar con mediciones de tiempo de vuelo para medir grandes distancias con alta precisión.
Ole Rømer demostró por primera vez en 1676 que la luz viaja a una velocidad finita (no instantánea) al estudiar el movimiento aparente de la luna de Júpiter , Io . En 1865, James Clerk Maxwell propuso que la luz era una onda electromagnética y, por tanto, viajaba a la velocidad c que aparece en su teoría del electromagnetismo. [5] En 1905, Albert Einstein postuló que la velocidad de la luz c con respecto a cualquier marco inercial es una constante e independiente del movimiento de la fuente de luz. [6] Exploró las consecuencias de ese postulado derivando la teoría de la relatividad y, al hacerlo, mostró que el parámetro c tenía relevancia fuera del contexto de la luz y el electromagnetismo.
Después de siglos de mediciones cada vez más precisas, en 1975 la velocidad de la luz era conocido por ser 299 792 458 m / s ( 983 571 056 ft / s; 186 282.397 mi / s) con una incertidumbre de medición de 4 partes por mil millones. En 1983, el metro fue redefinido en el Sistema Internacional de Unidades (SI) como la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1 / 299 792 458 de segundo .
Valor numérico, notación y unidades
La velocidad de la luz en el vacío generalmente se denota con una c minúscula , para "constante" o el latín celeritas (que significa "rapidez, celeridad"). En 1856, Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch habían usado c para una constante diferente que luego se demostró que era igual a √ 2 veces la velocidad de la luz en el vacío. Históricamente, el símbolo V se utilizó como símbolo alternativo de la velocidad de la luz, introducido por James Clerk Maxwell en 1865. En 1894, Paul Drude redefinió c con su significado moderno. Einstein usó V en sus artículos originales en alemán sobre relatividad especial en 1905, pero en 1907 cambió a c , que para entonces se había convertido en el símbolo estándar de la velocidad de la luz. [7] [8]
A veces, c se utiliza para la velocidad de las ondas en cualquier medio material y c 0 para la velocidad de la luz en el vacío. [9] Esta notación con subíndice, que está respaldada en la literatura oficial de SI, [10] tiene la misma forma que otras constantes relacionadas: a saber, μ 0 para la permeabilidad al vacío o constante magnética, ε 0 para la permitividad del vacío o constante eléctrica, y Z 0 para la impedancia del espacio libre . Este artículo utiliza c exclusivamente para la velocidad de la luz en el vacío.
Desde 1983, el metro se define en el Sistema Internacional de Unidades (SI) como la distancia que recorre la luz en el vacío en 1 ⁄299 792 458 de segundo. Esta definición fija la velocidad de la luz en el vacío exactamente299 792 458 m / s . [11] [12] [13] Como constante física dimensional , el valor numérico de c es diferente para diferentes sistemas de unidades. [Nota 3] En las ramas de la física en las que c aparece a menudo, como en la relatividad, es común utilizar sistemas de unidades naturales de medida o el sistema de unidades geometrizadas donde c = 1 . [14] [15] Usando estas unidades, c no aparece explícitamente porque la multiplicación o división por 1 no afecta el resultado.
Papel fundamental en la física
La velocidad a la que se propagan las ondas de luz en el vacío es independiente tanto del movimiento de la fuente de ondas como del marco de referencia inercial del observador. [Nota 5] Esta invariancia de la velocidad de la luz fue postulada por Einstein en 1905, [6] después de haber sido motivado por la teoría del electromagnetismo de Maxwell y la falta de evidencia para el éter luminífero ; [16] desde entonces ha sido confirmado consistentemente por muchos experimentos. [Nota 6] Solo es posible verificar experimentalmente que la velocidad bidireccional de la luz (por ejemplo, de una fuente a un espejo y viceversa) es independiente del marco, porque es imposible medir la velocidad unidireccional de luz (por ejemplo, de una fuente a un detector distante) sin alguna convención sobre cómo se deben sincronizar los relojes en la fuente y en el detector. Sin embargo, al adoptar la sincronización de Einstein para los relojes, la velocidad unidireccional de la luz se vuelve igual a la velocidad bidireccional de la luz por definición. [17] [18] La teoría de la relatividad especial explora las consecuencias de esta invariancia de c con el supuesto de que las leyes de la física son las mismas en todos los marcos de referencia inerciales. [19] [20] Una consecuencia es que c es la velocidad a la que todas las partículas y ondas sin masa , incluida la luz, deben viajar en el vacío.
La relatividad especial tiene muchas implicaciones contradictorias y verificadas experimentalmente. [21] Estos incluyen la equivalencia de masa y energía ( E = mc 2 ) , la contracción de la longitud (los objetos en movimiento se acortan), [Nota 7] y la dilatación del tiempo (los relojes en movimiento funcionan más lentamente). El factor γ por el cual las longitudes se contraen y los tiempos se dilatan se conoce como factor de Lorentz y viene dado por γ = (1 - v 2 / c 2 ) −1/2 , donde v es la velocidad del objeto. La diferencia de γ de 1 es insignificante para velocidades mucho más lentas que c , como la mayoría de las velocidades cotidianas, en cuyo caso la relatividad especial se aproxima mucho a la relatividad galileana, pero aumenta a velocidades relativistas y diverge hasta el infinito cuando v se acerca a c . Por ejemplo, un factor de dilatación del tiempo de γ = 2 ocurre a una velocidad relativa del 86,6% de la velocidad de la luz ( v = 0,866 c ). De manera similar, un factor de dilatación del tiempo de γ = 10 ocurre en v = 99.5% c .
Los resultados de la relatividad especial se pueden resumir tratando el espacio y el tiempo como una estructura unificada conocida como espacio-tiempo (con c relacionando las unidades de espacio y tiempo), y requiriendo que las teorías físicas satisfagan una simetría especial llamada invariancia de Lorentz , cuya formulación matemática contiene la parámetro c . [24] La invariancia de Lorentz es una suposición casi universal para las teorías físicas modernas, como la electrodinámica cuántica , la cromodinámica cuántica , el modelo estándar de física de partículas y la relatividad general . Como tal, el parámetro c es omnipresente en la física moderna y aparece en muchos contextos que no están relacionados con la luz. Por ejemplo, la relatividad general predice que c también es la velocidad de la gravedad y de las ondas gravitacionales . [25] [Nota 8] En marcos de referencia no inerciales (espacio-tiempo curvo gravitacionalmente o marcos de referencia acelerados ), la velocidad local de la luz es constante e igual ac , pero la velocidad de la luz a lo largo de una trayectoria de longitud finita puede diferir de c , dependiendo de cómo se definan las distancias y los tiempos. [27]
Generalmente se asume que las constantes fundamentales como c tienen el mismo valor a lo largo del espacio-tiempo, lo que significa que no dependen de la ubicación y no varían con el tiempo. Sin embargo, se ha sugerido en varias teorías que la velocidad de la luz puede haber cambiado con el tiempo . [28] [29] No se ha encontrado evidencia concluyente de tales cambios, pero siguen siendo objeto de investigación en curso. [30] [31]
También se asume generalmente que la velocidad de la luz es isotrópica , lo que significa que tiene el mismo valor independientemente de la dirección en la que se mida. Las observaciones de las emisiones de los niveles de energía nuclear en función de la orientación de los núcleos emisores en un campo magnético (ver el experimento de Hughes-Drever ) y de los resonadores ópticos rotativos (ver los experimentos de resonadores ) han puesto límites estrictos a la posible doble vía anisotropía . [32] [33]
Límite superior de velocidades
Según la relatividad especial, la energía de un objeto con masa en reposo my velocidad v viene dada por γmc 2 , donde γ es el factor de Lorentz definido anteriormente. Cuando v es cero, γ es igual a uno, dando lugar a la famosa fórmula E = mc 2 para la equivalencia masa-energía . El factor γ se acerca al infinito cuando v se acerca a c , y se necesitaría una cantidad infinita de energía para acelerar un objeto con masa a la velocidad de la luz. La velocidad de la luz es el límite superior para las velocidades de los objetos con masa en reposo positiva, y los fotones individuales no pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz. [34] [35] [36] Esto se establece experimentalmente en muchas pruebas de energía y momento relativistas . [37]
De manera más general, es imposible que las señales o la energía viajen más rápido que c . Un argumento para esto se deriva de la implicación contraintuitiva de la relatividad especial conocida como relatividad de la simultaneidad . Si la distancia espacial entre dos eventos A y B es mayor que el intervalo de tiempo entre ellos multiplicado por c, entonces hay marcos de referencia en los que A precede a B, otros en los que B precede a A y otros en los que son simultáneos. Como resultado, si algo viajara más rápido que c en relación con un marco de referencia inercial, viajaría hacia atrás en el tiempo en relación con otro marco y se violaría la causalidad . [Nota 9] [39] En tal marco de referencia, podría observarse un "efecto" antes que su "causa". Nunca se ha registrado tal violación de la causalidad, [18] y conduciría a paradojas como el antitelefono taquiónico . [40]
Observaciones y experimentos más rápidos que la luz
Hay situaciones en las que puede parecer que la materia, la energía o la señal portadora de información viajan a velocidades superiores a c , pero no es así. Por ejemplo, como se analiza en la propagación de la luz en una sección media a continuación, muchas velocidades de onda pueden exceder c . Por ejemplo, la velocidad de fase de los rayos X a través de la mayoría de los vidrios puede exceder habitualmente c , [41] pero la velocidad de fase no determina la velocidad a la que las ondas transmiten información. [42]
Si un rayo láser pasa rápidamente a través de un objeto distante, el punto de luz puede moverse más rápido que c , aunque el movimiento inicial del punto se retrasa debido al tiempo que tarda la luz en llegar al objeto distante a la velocidad c . Sin embargo, las únicas entidades físicas que se mueven son el láser y su luz emitida, que viaja a la velocidad c desde el láser a las distintas posiciones del punto. De manera similar, se puede hacer que una sombra proyectada sobre un objeto distante se mueva más rápido que c , después de un retraso en el tiempo. [43] En ningún caso, la materia, la energía o la información viajan más rápido que la luz. [44]
La tasa de cambio en la distancia entre dos objetos en un marco de referencia con respecto al cual ambos se mueven (su velocidad de cierre ) puede tener un valor superior a c . Sin embargo, esto no representa la velocidad de un solo objeto medido en un solo marco inercial. [44]
Ciertos efectos cuánticos parecen transmitirse instantáneamente y, por lo tanto, más rápido que c , como en la paradoja EPR . Un ejemplo involucra los estados cuánticos de dos partículas que se pueden entrelazar . Hasta que se observe cualquiera de las partículas, existen en una superposición de dos estados cuánticos. Si las partículas se separan y se observa el estado cuántico de una partícula, el estado cuántico de la otra partícula se determina instantáneamente. Sin embargo, es imposible controlar qué estado cuántico adoptará la primera partícula cuando se observe, por lo que la información no se puede transmitir de esta manera. [44] [45]
Otro efecto cuántico que predice la ocurrencia de más rápido que la luz velocidades se llama el efecto Hartman : bajo ciertas condiciones el tiempo necesario para que una partícula virtual a túnel a través de una barrera es constante, independientemente del espesor de la barrera. [46] [47] Esto podría resultar en que una partícula virtual atraviese una gran brecha más rápido que la luz. Sin embargo, no se puede enviar información utilizando este efecto. [48]
El llamado movimiento superluminal se observa en ciertos objetos astronómicos, [49] como los chorros relativistas de radiogalaxias y quásares . Sin embargo, estos chorros no se mueven a velocidades superiores a la velocidad de la luz: el movimiento superluminal aparente es un efecto de proyección causado por objetos que se mueven cerca de la velocidad de la luz y se acercan a la Tierra en un pequeño ángulo con la línea de visión: ya que la luz que se emitió cuando el chorro estaba más lejos tardó más en llegar a la Tierra, el tiempo entre dos observaciones sucesivas corresponde a un tiempo mayor entre los instantes en los que se emitieron los rayos de luz. [50]
En los modelos del universo en expansión, cuanto más alejadas están las galaxias, más rápido se separan. Este retroceso no se debe al movimiento a través del espacio, sino a la expansión del espacio mismo. [44] Por ejemplo, las galaxias alejadas de la Tierra parecen alejarse de la Tierra con una velocidad proporcional a sus distancias. Más allá de un límite llamado esfera de Hubble , la velocidad a la que aumenta su distancia de la Tierra se vuelve mayor que la velocidad de la luz. [51]
Propagación de la luz
En física clásica , la luz se describe como un tipo de onda electromagnética . El comportamiento clásico del campo electromagnético se describe mediante las ecuaciones de Maxwell , que predicen que la velocidad c con la que las ondas electromagnéticas (como la luz) se propagan en el vacío está relacionada con la capacitancia distribuida y la inductancia del vacío, también conocida como constante eléctrica ε , respectivamente. 0 y la constante magnética μ 0 , por la ecuación [52]
En la física cuántica moderna , el campo electromagnético se describe mediante la teoría de la electrodinámica cuántica (QED). En esta teoría, la luz se describe mediante las excitaciones fundamentales (o cuantos) del campo electromagnético, llamadas fotones . En QED, los fotones son partículas sin masa y, por lo tanto, según la relatividad especial, viajan a la velocidad de la luz en el vacío.
Se han considerado extensiones de QED en las que el fotón tiene masa. En tal teoría, su velocidad dependería de su frecuencia, y la velocidad invariante c de la relatividad especial sería entonces el límite superior de la velocidad de la luz en el vacío. [27] No se ha observado variación de la velocidad de la luz con la frecuencia en pruebas rigurosas, [53] [54] [55] poniendo límites estrictos a la masa del fotón. El límite obtenido depende del modelo utilizado: si el fotón masivo es descrito por la teoría de Proca , [56] el límite superior experimental para su masa es de aproximadamente 10-57 gramos ; [57] si la masa de fotones es generada por un mecanismo de Higgs , el límite superior experimental es menos nítido, m ≤10 −14 eV / c 2 [56] (aproximadamente 2 × 10 −47 g).
Otra razón para que la velocidad de la luz varíe con su frecuencia sería el hecho de que la relatividad especial no se aplica a escalas arbitrariamente pequeñas, como predijeron algunas teorías propuestas sobre la gravedad cuántica . En 2009, la observación de la ráfaga de rayos gamma GRB 090510 no encontró evidencia de una dependencia de la velocidad de los fotones con la energía, lo que respalda restricciones estrictas en modelos específicos de cuantificación del espacio-tiempo sobre cómo esta velocidad se ve afectada por la energía de los fotones para energías que se acercan a la escala de Planck . [58]
En un medio
En un medio, la luz generalmente no se propaga a una velocidad igual ac ; además, diferentes tipos de ondas de luz viajarán a diferentes velocidades. La velocidad a la que se propagan las crestas y valles individuales de una onda plana (una onda que llena todo el espacio, con una sola frecuencia ) se llama velocidad de fase v p . Una señal física con una extensión finita (un pulso de luz) viaja a una velocidad diferente. La mayor parte del pulso viaja a la velocidad de grupo v g , y su parte más temprana viaja a la velocidad frontal v f .
La velocidad de fase es importante para determinar cómo viaja una onda de luz a través de un material o de un material a otro. A menudo se representa en términos de índice de refracción . El índice de refracción de un material se define como la relación entre c y la velocidad de fase v p en el material: índices de refracción más grandes indican velocidades más bajas. El índice de refracción de un material puede depender de la frecuencia, intensidad, polarización o dirección de propagación de la luz ; en muchos casos, sin embargo, puede tratarse como una constante dependiente del material. El índice de refracción del aire es de aproximadamente 1.0003. [59] Los medios más densos, como el agua , [60] el vidrio , [61] y el diamante , [62] tienen índices de refracción de alrededor de 1,3, 1,5 y 2,4, respectivamente, para la luz visible. En materiales exóticos como los condensados de Bose-Einstein cerca del cero absoluto, la velocidad efectiva de la luz puede ser sólo de unos pocos metros por segundo. Sin embargo, esto representa un retraso de absorción y reradiación entre átomos, al igual que todas las velocidades inferiores a c en las sustancias materiales. Como un ejemplo extremo de la "desaceleración" de la luz en la materia, dos equipos independientes de físicos afirmaron que la luz se "paraba completamente" pasándola a través de un condensado de Bose-Einstein del elemento rubidio . Sin embargo, la descripción popular de que la luz se "detiene" en estos experimentos se refiere solo a la luz que se almacena en los estados excitados de los átomos y luego se vuelve a emitir en un momento arbitrariamente posterior, estimulada por un segundo pulso láser. Durante el tiempo que estuvo "parado", dejó de ser luz. Este tipo de comportamiento es generalmente microscópicamente cierto en todos los medios transparentes que "ralentizan" la velocidad de la luz. [63]
En materiales transparentes, el índice de refracción generalmente es mayor que 1, lo que significa que la velocidad de fase es menor que c . En otros materiales, es posible que el índice de refracción sea menor que 1 para algunas frecuencias; en algunos materiales exóticos incluso es posible que el índice de refracción se vuelva negativo. [64] El requisito de que no se viole la causalidad implica que las partes real e imaginaria de la constante dieléctrica de cualquier material, correspondientes respectivamente al índice de refracción y al coeficiente de atenuación , están vinculadas por las relaciones de Kramers-Kronig . [65] En términos prácticos, esto significa que en un material con índice de refracción menor que 1, la absorción de la onda es tan rápida que ninguna señal puede enviarse más rápido que c .
Un pulso con diferentes velocidades de grupo y fase (que ocurre si la velocidad de fase no es la misma para todas las frecuencias del pulso) se difumina con el tiempo, un proceso conocido como dispersión . Ciertos materiales tienen una velocidad de grupo excepcionalmente baja (o incluso nula) para las ondas de luz, un fenómeno llamado luz lenta , que se ha confirmado en varios experimentos. [66] [67] [68] [69] Lo contrario, velocidades de grupo superiores a c , también se ha demostrado en el experimento. [70] Incluso debería ser posible que la velocidad del grupo se vuelva infinita o negativa, con pulsos viajando instantáneamente o hacia atrás en el tiempo. [71]
Sin embargo, ninguna de estas opciones permite que la información se transmita más rápido que c . Es imposible transmitir información con un pulso de luz más rápido que la velocidad de la parte más temprana del pulso (la velocidad frontal ). Se puede demostrar que esto es (bajo ciertos supuestos) siempre igual a c . [71]
Es posible que una partícula viaje a través de un medio más rápido que la velocidad de fase de la luz en ese medio (pero aún más lento que c ). Cuando una partícula cargada hace eso en un material dieléctrico , se emite el equivalente electromagnético de una onda de choque , conocida como radiación de Cherenkov . [72]
Efectos prácticos de la finitud
La velocidad de la luz es importante para las comunicaciones : el tiempo de retardo de ida y vuelta es mayor que cero. Esto se aplica desde escalas pequeñas hasta astronómicas. Por otro lado, algunas técnicas dependen de la velocidad finita de la luz, por ejemplo en las mediciones de distancia.
Pequeñas escamas
En las supercomputadoras , 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 solo puede viajar un máximo de unos 30 centímetros (1 pie) en un solo ciclo. Por lo tanto, los procesadores deben colocarse uno cerca del otro para minimizar las latencias de comunicación; esto puede causar dificultades para enfriar. Si las frecuencias de reloj continúan aumentando, la velocidad de la luz eventualmente se convertirá en un factor limitante para el diseño interno de chips individuales . [73] [74]
Grandes distancias en la Tierra
Dado que la circunferencia ecuatorial de la Tierra es de aproximadamente 40 075 km y que c es aproximadamente300 000 km / s , el tiempo teórico más corto para que un dato viaje la mitad del globo a lo largo de la superficie es de unos 67 milisegundos. Cuando la luz viaja alrededor del mundo en una fibra óptica , el tiempo de tránsito real es más largo, en parte porque la velocidad de la luz es más lenta en aproximadamente un 35% en una fibra óptica, dependiendo de su índice de refracción n . [Nota 10] Además, las líneas rectas rara vez ocurren en situaciones de comunicaciones globales y se crean retrasos cuando la señal pasa a través de un interruptor electrónico o un regenerador de señal. [76]
Vuelos espaciales y astronomía
Del mismo modo, las comunicaciones entre la Tierra y la nave espacial no son instantáneas. Hay un breve retraso entre la fuente y el receptor, que se hace más notorio a medida que aumentan las distancias. Este retraso fue significativo para las comunicaciones entre el control de tierra y el Apolo 8 cuando se convirtió en la primera nave espacial tripulada en orbitar la Luna: para cada pregunta, la estación de control de tierra tenía que esperar al menos tres segundos para que llegara la respuesta. [77] El retraso de las comunicaciones entre la Tierra y Marte puede variar entre cinco y veinte minutos, dependiendo de las posiciones relativas de los dos planetas. [78] Como consecuencia de esto, si un robot en la superficie de Marte encontrara un problema, sus controladores humanos no se darían cuenta hasta al menos cinco minutos más tarde, y posiblemente hasta veinte minutos más tarde; Luego, tomaría entre cinco y veinte minutos más para recibir instrucciones para viajar de la Tierra a Marte.
Recibir luz y otras señales de fuentes astronómicas distantes puede llevar incluso mucho más tiempo. Por ejemplo, la luz ha tardado 13 mil millones (13 × 10 9 ) en viajar a la Tierra desde las galaxias lejanas vistas en las imágenes del campo ultraprofundo del Hubble . [79] [80] Esas fotografías, tomadas hoy, capturan imágenes de las galaxias tal como aparecieron hace 13 mil millones de años, cuando el universo tenía menos de mil millones de años. [79] El hecho de que los objetos más distantes parezcan más jóvenes, debido a la velocidad finita de la luz, permite a los astrónomos inferir la evolución de las estrellas , de las galaxias y del propio universo .
Las distancias astronómicas a veces se expresan en años luz , especialmente en publicaciones y medios de divulgación científica . [81] Un año luz es la distancia que recorre la luz en un año, alrededor de 9461 mil millones de kilómetros, 5879 mil millones de millas o 0,3066 parsecs . En cifras redondas, un año luz equivale a casi 10 billones de kilómetros o casi 6 billones de millas. Proxima Centauri , la estrella más cercana a la Tierra después del Sol, está a unos 4,2 años luz de distancia. [82]
Medida de distancia
Los sistemas de radar miden la distancia a un objetivo según el tiempo que tarda un pulso de onda de radio en regresar a la antena del radar después de ser reflejado por el objetivo: la distancia al objetivo es la mitad del tiempo de tránsito de ida y vuelta multiplicado por la velocidad de la luz . Un receptor del Sistema de posicionamiento global (GPS) mide su distancia a los satélites GPS en función del tiempo que tarda en llegar una señal de radio desde cada satélite y, a partir de estas distancias, calcula la posición del receptor. Porque la luz viaja300 000 kilómetros (186 000 mi ) en un segundo, estas medidas de pequeñas fracciones de segundo deben ser muy precisas. El Experimento de Alcance Lunar Láser , la astronomía de radar y la Red del Espacio Profundo determinan las distancias a la Luna, [83] planetas [84] y naves espaciales, [85] respectivamente, midiendo los tiempos de tránsito de ida y vuelta.
Negociación de alta frecuencia
La velocidad de la luz se ha vuelto importante en el comercio de alta frecuencia , donde los operadores buscan obtener ventajas mínimas al entregar sus operaciones a los intercambios fracciones de segundo por delante de otros operadores. Por ejemplo, los comerciantes han cambiado a las comunicaciones por microondas entre centros comerciales, debido a la ventaja que tienen las microondas que viajan a una velocidad cercana a la de la luz en el aire sobre las señales de fibra óptica , que viajan entre un 30% y un 40% más lento. [86] [87]
Medición
Hay diferentes formas de determinar el valor de c . Una forma es medir la velocidad real a la que se propagan las ondas de luz, lo que se puede hacer en varias configuraciones astronómicas y terrestres. Sin embargo, también es posible determinar c a partir de otras leyes físicas donde aparece, por ejemplo, determinando los valores de las constantes electromagnéticas ε 0 y μ 0 y utilizando su relación con c . Históricamente, los resultados más precisos se han obtenido determinando por separado la frecuencia y la longitud de onda de un haz de luz, con su producto igual a c . [ cita requerida ]
En 1983, el metro se definió como "la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1 ⁄299 792 458 de segundo ", [88] fijando el valor de la velocidad de la luz en299 792 458 m / s por definición, como se describe a continuación . En consecuencia, las mediciones precisas de la velocidad de la luz producen una realización precisa del medidor en lugar de un valor exacto de c .
Medidas astronómicas
El espacio exterior es un lugar conveniente para medir la velocidad de la luz debido a su gran escala y al vacío casi perfecto . Normalmente, se mide el tiempo necesario para que la luz recorra una distancia de referencia en el sistema solar , como el radio de la órbita de la Tierra. Históricamente, tales mediciones se podían realizar con bastante precisión, en comparación con la precisión con la que se conoce la longitud de la distancia de referencia en unidades terrestres. Es habitual expresar los resultados en unidades astronómicas (AU) por día.
Ole Christensen Rømer usó una medición astronómica para hacer la primera estimación cuantitativa de la velocidad de la luz en el año 1676. [89] [90] Cuando se mide desde la Tierra, los períodos de las lunas que orbitan un planeta distante son más cortos cuando la Tierra se acerca al planeta que cuando la Tierra se aleja de él. La distancia recorrida por la luz desde el planeta (o su luna) a la Tierra es más corta cuando la Tierra está en el punto de su órbita que está más cerca de su planeta que cuando la Tierra está en el punto más lejano de su órbita, la diferencia de distancia siendo el diámetro de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. El cambio observado en el período orbital de la luna se debe a la diferencia en el tiempo que tarda la luz en recorrer la distancia más corta o más larga. Rømer observó este efecto de Júpiter luna más interior 's Io y dedujo que la luz tarda 22 minutos para cruzar el diámetro de la órbita de la Tierra.
Otro método consiste en utilizar la aberración de la luz , descubierta y explicada por James Bradley en el siglo XVIII. [91] Este efecto resulta de la suma de vectores de la velocidad de la luz que llega de una fuente distante (como una estrella) y la velocidad de su observador (ver diagrama a la derecha). Un observador en movimiento ve la luz que viene de una dirección ligeramente diferente y, en consecuencia, ve la fuente en una posición desviada de su posición original. Dado que la dirección de la velocidad de la Tierra cambia continuamente a medida que la Tierra orbita alrededor del Sol, este efecto hace que la posición aparente de las estrellas se mueva. A partir de la diferencia angular en la posición de las estrellas (como máximo 20,5 segundos de arco ) [92] es posible expresar la velocidad de la luz en términos de la velocidad de la Tierra alrededor del Sol, que con la duración conocida de un año se puede convertir al tiempo. necesario para viajar del Sol a la Tierra. En 1729, Bradley usó este método para derivar que la luz viajaba10 210 veces más rápido que la Tierra en su órbita (la cifra es moderna10 066 veces más rápido) o, de manera equivalente, que la luz tardaría 8 minutos 12 segundos en viajar desde el Sol a la Tierra. [91]
Unidad astronómica
Una unidad astronómica (AU) es aproximadamente la distancia promedio entre la Tierra y el Sol. Fue redefinido en 2012 como exactamente149 597 870 700 m . [93] [94] Anteriormente, la UA no se basaba en el Sistema Internacional de Unidades, sino en términos de la fuerza gravitacional ejercida por el Sol en el marco de la mecánica clásica. [Nota 11] La definición actual utiliza el valor recomendado en metros para la definición anterior de la unidad astronómica, que fue determinada por medición. [93] Esta redefinición es análoga a la del metro y también tiene el efecto de fijar la velocidad de la luz a un valor exacto en unidades astronómicas por segundo (a través de la velocidad exacta de la luz en metros por segundo).
Anteriormente, la inversa de c expresada en segundos por unidad astronómica se medía comparando el tiempo que tardaban las señales de radio en llegar a diferentes naves espaciales del Sistema Solar, con su posición calculada a partir de los efectos gravitacionales del Sol y varios planetas. Combinando muchas de estas medidas, se podría obtener un valor de mejor ajuste para el tiempo de luz por unidad de distancia. Por ejemplo, en 2009, la mejor estimación, aprobada por la Unión Astronómica Internacional (IAU), fue: [96] [97] [98]
- tiempo de luz por unidad de distancia: t au = 499.004 783 836 (10) s
- c = 0.002 003 988 804 10 (4) AU / s = 173.144 632 674 (3) AU / día.
La incertidumbre relativa en estas mediciones es de 0,02 partes por mil millones (2 × 10 −11 ), equivalente a la incertidumbre de las mediciones de longitud realizadas en la Tierra mediante interferometría. [99] Dado que el metro se define como la longitud recorrida por la luz en un cierto intervalo de tiempo, la medición del tiempo de luz en términos de la definición anterior de la unidad astronómica también se puede interpretar como la medición de la longitud de una AU (antiguo definición) en metros. [Nota 12]
Técnicas de tiempo de vuelo
Un método para medir la velocidad de la luz es medir el tiempo necesario para que la luz viaje a un espejo a una distancia conocida y regrese. Este es el principio de funcionamiento detrás del aparato Fizeau-Foucault desarrollado por Hippolyte Fizeau y Léon Foucault . [ cita requerida ]
La configuración utilizada por Fizeau consiste en un haz de luz dirigido a un espejo a 8 kilómetros (5 millas) de distancia. En el camino de la fuente al espejo, el rayo pasa a través de una rueda dentada giratoria. A una cierta velocidad de rotación, el rayo pasa a través de un espacio en la salida y otro en el camino de regreso, pero a velocidades ligeramente más altas o más bajas, el rayo golpea un diente y no atraviesa la rueda. Conociendo la distancia entre la rueda y el espejo, el número de dientes de la rueda y la velocidad de rotación, se puede calcular la velocidad de la luz. [100]
El método de Foucault reemplaza la rueda dentada con un espejo giratorio. Debido a que el espejo sigue girando mientras la luz viaja hacia el espejo distante y regresa, la luz se refleja desde el espejo giratorio en un ángulo diferente al salir que al regresar. A partir de esta diferencia de ángulo, se puede calcular la velocidad de rotación conocida y la distancia al espejo distante, la velocidad de la luz. [101]
Hoy en día, utilizando osciloscopios con resoluciones de tiempo de menos de un nanosegundo, la velocidad de la luz se puede medir directamente cronometrando el retraso de un pulso de luz de un láser o un LED reflejado en un espejo. Este método es menos preciso (con errores del orden del 1%) que otras técnicas modernas, pero a veces se utiliza como experimento de laboratorio en las clases de física de las universidades. [102] [103] [104]
Constantes electromagnéticas
Una opción para derivar c que no depende directamente de una medición de la propagación de ondas electromagnéticas es usar la relación entre cy la permitividad del vacío ε 0 y la permeabilidad al vacío μ 0 establecida por la teoría de Maxwell: c 2 = 1 / ( ε 0 μ 0 ). La permitividad del vacío se puede determinar midiendo la capacitancia y las dimensiones de un condensador , mientras que el valor de la permeabilidad al vacío se fija exactamente en4π × 10 −7 H⋅m −1 a través de la definición del amperio . Rosa y Dorsey usaron este método en 1907 para encontrar un valor de299 710 ± 22 km / s . [105] [106]
Resonancia de cavidad
Otra forma de medir la velocidad de la luz es medir de forma independiente la frecuencia fy la longitud de onda λ de una onda electromagnética en el vacío. El valor de c se puede encontrar usando la relación c = fλ . Una opción es medir la frecuencia de resonancia de un resonador de cavidad . Si también se conocen las dimensiones de la cavidad de resonancia, estas se pueden utilizar para determinar la longitud de onda de la onda. En 1946, Louis Essen y AC Gordon-Smith establecieron la frecuencia para una variedad de modos normales de microondas de una cavidad de microondas de dimensiones conocidas con precisión. Las dimensiones se establecieron con una precisión de aproximadamente ± 0,8 μm utilizando medidores calibrados por interferometría. [105] Como la longitud de onda de los modos se conocía por la geometría de la cavidad y por la teoría electromagnética , el conocimiento de las frecuencias asociadas permitió calcular la velocidad de la luz. [105] [107]
El resultado de Essen-Gordon-Smith, 299 792 ± 9 km / s , fue sustancialmente más preciso que los encontrados por técnicas ópticas. [105] En 1950, las mediciones repetidas de Essen establecieron un resultado de299 792 0,5 ± 3,0 km / s . [108]
Es posible una demostración casera de esta técnica, utilizando un horno microondas y alimentos como malvaviscos o margarina: si se retira el plato giratorio para que los alimentos no se muevan, se cocinará más rápido en los antinodos (los puntos en los que la amplitud de onda es el más grande), donde comenzará a derretirse. La distancia entre dos de esos puntos es la mitad de la longitud de onda de las microondas; midiendo esta distancia y multiplicando la longitud de onda por la frecuencia de microondas (normalmente mostrada en la parte trasera del horno, típicamente 2450 MHz), se puede calcular el valor de c , "a menudo con menos del 5% de error". [109] [110]
Interferometria
La interferometría es otro método para encontrar la longitud de onda de la radiación electromagnética para determinar la velocidad de la luz. [Nota 13] Un haz de luz coherente (por ejemplo, de un láser ), con una frecuencia conocida ( f ), se divide para seguir dos caminos y luego se recombina. Ajustando la longitud de la trayectoria mientras se observa el patrón de interferencia y midiendo cuidadosamente el cambio en la longitud de la trayectoria, se puede determinar la longitud de onda de la luz ( λ ). Luego, la velocidad de la luz se calcula usando la ecuación c = λf .
Antes del advenimiento de la tecnología láser, se usaban fuentes de radio coherentes para mediciones de interferometría de la velocidad de la luz. [112] Sin embargo, la determinación interferométrica de la longitud de onda se vuelve menos precisa con la longitud de onda y, por lo tanto, los experimentos se vieron limitados en precisión por la longitud de onda larga (~ 4 mm (0,16 pulgadas)) de las ondas de radio. La precisión se puede mejorar utilizando luz con una longitud de onda más corta, pero luego se vuelve difícil medir directamente la frecuencia de la luz. Una forma de solucionar este problema es comenzar con una señal de baja frecuencia cuya frecuencia se pueda medir con precisión y, a partir de esta señal, sintetizar progresivamente señales de mayor frecuencia cuya frecuencia se pueda vincular a la señal original. A continuación, se puede fijar un láser a la frecuencia y se puede determinar su longitud de onda mediante interferometría. [113] Esta técnica se debió a un grupo de la Oficina Nacional de Normas (NBS) (que más tarde se convirtió en NIST ). Lo usaron en 1972 para medir la velocidad de la luz en el vacío con una incertidumbre fraccionaria de3,5 × 10 −9 . [113] [114]
Historia
<1638 | Galileo , faroles cubiertos | inconcluso [115] [116] [117] : 1252 [Nota 14] | |
<1667 | Accademia del Cimento , faroles cubiertos | inconcluso [117] : 1253 [118] | |
1675 | Rømer y Huygens , lunas de Júpiter | 220 000 [90] [119] | 27% de error |
1729 | James Bradley , aberración de la luz | 301 000 [100] | + 0.40% de error |
1849 | Hippolyte Fizeau , rueda dentada | 315 000 [100] | + 5,1% de error |
1862 | Léon Foucault , espejo giratorio | 298 000 ± 500 [100] | ‒0.60% de error |
1907 | Rosa y Dorsey, constantes EM | 299 710 ± 30 [105] [106] | Error de 280 ppm |
1926 | Albert A. Michelson , espejo giratorio | 299 796 ± 4 [120] | Error de +12 ppm |
1950 | Essen y Gordon-Smith , resonador de cavidad | 299 792 0,5 ± 3,0 [108] | +0,14 ppm de error |
1958 | KD Froome, radiointerferometría | 299 792, 50 ± 0,10 [112] | +0,14 ppm de error |
1972 | Evenson y col. , interferometría láser | 299 792 .4562 ± 0,0011 [114] | Error de 0,006 ppm |
1983 | 17o CGPM, definición del metro | 299 792 .458 (exacto) [88] | exacto, como se define |
Hasta el período moderno temprano , no se sabía si la luz viajaba instantáneamente o a una velocidad finita muy rápida. El primer examen registrado existente de este tema fue en la antigua Grecia . Los antiguos griegos, los eruditos musulmanes y los científicos europeos clásicos debatieron esto durante mucho tiempo hasta que Rømer proporcionó el primer cálculo de la velocidad de la luz. La teoría de la relatividad especial de Einstein concluyó que la velocidad de la luz es constante independientemente del marco de referencia de uno. Desde entonces, los científicos han proporcionado mediciones cada vez más precisas.
Historia temprana
Empédocles (c. 490-430 aC) fue el primero en proponer una teoría de la luz [121] y afirmó que la luz tiene una velocidad finita. [122] Sostuvo que la luz era algo en movimiento y, por lo tanto, debía tomar algún tiempo viajar. Aristóteles argumentó, por el contrario, que "la luz se debe a la presencia de algo, pero no es un movimiento". [123] Euclides y Ptolomeo avanzaron en la teoría de emisión de la visión de Empédocles , donde la luz se emite desde el ojo, lo que permite la vista. Basado en esa teoría, Heron de Alejandría argumentó que la velocidad de la luz debe ser infinita porque los objetos distantes como las estrellas aparecen inmediatamente al abrir los ojos. [124] Los primeros filósofos islámicos inicialmente estuvieron de acuerdo con la visión aristotélica de que la luz no tenía velocidad de viaje. En 1021, Alhazen (Ibn al-Haytham) publicó el Libro de Óptica , en el que presentó una serie de argumentos que desestimaban la teoría de la emisión de la visión a favor de la teoría de la intromisión ahora aceptada, en la que la luz pasa de un objeto al ojo. [125] Esto llevó a Alhazen a proponer que la luz debe tener una velocidad finita, [123] [126] [127] y que la velocidad de la luz es variable, disminuyendo en los cuerpos más densos. [127] [128] Argumentó que la luz es materia sustancial, cuya propagación requiere tiempo, incluso si está oculto a nuestros sentidos. [129] También en el siglo XI, Abū Rayhān al-Bīrūnī estuvo de acuerdo en que la luz tiene una velocidad finita y observó que la velocidad de la luz es mucho más rápida que la del sonido. [130]
En el siglo XIII, Roger Bacon argumentó que la velocidad de la luz en el aire no era infinita, utilizando argumentos filosóficos respaldados por los escritos de Alhazen y Aristóteles. [131] [132] En la década de 1270, Witelo consideró la posibilidad de que la luz viajara a una velocidad infinita en el vacío, pero se ralentizara en cuerpos más densos. [133]
A principios del siglo XVII, Johannes Kepler creía que la velocidad de la luz era infinita, ya que el espacio vacío no presenta ningún obstáculo para ella. René Descartes argumentó que si la velocidad de la luz fuera finita, el Sol, la Tierra y la Luna estarían notablemente desalineados durante un eclipse lunar . Dado que no se había observado tal desalineación, Descartes concluyó que la velocidad de la luz era infinita. Descartes especuló que si se determinaba que la velocidad de la luz era finita, todo su sistema filosófico podría ser demolido. [123] En la derivación de Descartes de la ley de Snell , asumió que, aunque la velocidad de la luz era instantánea, cuanto más denso era el medio, más rápida era la velocidad de la luz. [134] Pierre de Fermat derivó la ley de Snell utilizando el supuesto opuesto, cuanto más denso es el medio, más lenta viaja la luz. Fermat también argumentó a favor de una velocidad finita de la luz. [135]
Primeros intentos de medición
En 1629, Isaac Beeckman propuso un experimento en el que una persona observa el destello de un cañón que se refleja en un espejo a una milla (1,6 km) de distancia. En 1638, Galileo Galilei propuso un experimento, con la aparente pretensión de haberlo realizado algunos años antes, para medir la velocidad de la luz observando el retraso entre descubrir una linterna y su percepción a cierta distancia. No pudo distinguir si el viaje de la luz era instantáneo o no, pero llegó a la conclusión de que si no lo era, debía ser extraordinariamente rápido. [115] [116] En 1667, la Accademia del Cimento de Florencia informó que había realizado el experimento de Galileo, con las linternas separadas por aproximadamente una milla, pero no se observó ninguna demora. El retraso real en este experimento habría sido de unos 11 microsegundos .
La primera estimación cuantitativa de la velocidad de la luz fue realizada en 1676 por Rømer. [89] [90] A partir de la observación de que los períodos de la luna más interna de Júpiter, Io, parecían ser más cortos cuando la Tierra se acercaba a Júpiter que cuando se alejaba de él, concluyó que la luz viaja a una velocidad finita y estimó que necesita luz 22 minutos para cruzar el diámetro de la órbita de la Tierra. Christiaan Huygens combinó esta estimación con una estimación del diámetro de la órbita de la Tierra para obtener una estimación de la velocidad de la luz de220 000 km / s , un 26% menos que el valor real. [119]
En su libro Opticks de 1704 , Isaac Newton informó los cálculos de Rømer de la velocidad finita de la luz y dio un valor de "siete u ocho minutos" para el tiempo que tarda la luz en viajar del Sol a la Tierra (el valor moderno es de 8 minutos 19 segundos). [136] Newton preguntó si las sombras del eclipse de Rømer estaban coloreadas; al escuchar que no lo eran, concluyó que los diferentes colores viajaban a la misma velocidad. En 1729, James Bradley descubrió la aberración estelar . [91] A partir de este efecto, determinó que la luz debe viajar10 210 veces más rápido que la Tierra en su órbita (la cifra es moderna10 066 veces más rápido) o, de manera equivalente, que la luz tardaría 8 minutos 12 segundos en viajar desde el Sol a la Tierra. [91]
Conexiones con electromagnetismo
En el siglo XIX, Hippolyte Fizeau desarrolló un método para determinar la velocidad de la luz basándose en mediciones del tiempo de vuelo en la Tierra e informó un valor de315 000 km / s . [137] Su método fue mejorado por Léon Foucault, quien obtuvo un valor de298 000 km / s en 1862. [100] En el año 1856, Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch midieron la relación de las unidades de carga electromagnética y electrostática, 1 / √ ε 0 μ 0 , descargando una jarra de Leyden , y encontraron que su valor numérico estaba muy cerca de la velocidad de la luz medida directamente por Fizeau. Al año siguiente, Gustav Kirchhoff calculó que una señal eléctrica en un cable sin resistencia viaja a lo largo del cable a esta velocidad. [138] A principios de la década de 1860, Maxwell demostró que, según la teoría del electromagnetismo en la que estaba trabajando, las ondas electromagnéticas se propagan en el espacio vacío [139] [140] [141] a una velocidad igual a la anterior relación Weber / Kohlrausch, y llamando la atención sobre la proximidad numérica de este valor a la velocidad de la luz medida por Fizeau, propuso que la luz es de hecho una onda electromagnética. [142]
"Éter luminífero"
En ese momento se pensaba que el espacio vacío estaba lleno de un medio de fondo llamado éter luminífero en el que existía el campo electromagnético. Algunos físicos pensaron que este éter actuaba como un marco de referencia preferido para la propagación de la luz y, por lo tanto, debería ser posible medir el movimiento de la Tierra con respecto a este medio, midiendo la isotropía de la velocidad de la luz. A partir de la década de 1880 se realizaron varios experimentos para tratar de detectar este movimiento, el más famoso de los cuales es el experimento realizado por Albert A. Michelson y Edward W. Morley en 1887. [143] [144] El movimiento detectado fue siempre menor que el error de observación. Los experimentos modernos indican que la velocidad bidireccional de la luz es isotrópica (la misma en todas las direcciones) dentro de los 6 nanómetros por segundo. [145] Debido a este experimento, Hendrik Lorentz propuso que el movimiento del aparato a través del éter puede hacer que el aparato se contraiga a lo largo de su longitud en la dirección del movimiento, y supuso además que la variable de tiempo para los sistemas en movimiento también debe cambiarse en consecuencia ("hora local"), lo que llevó a la formulación de la transformación de Lorentz . Con base en la teoría del éter de Lorentz , Henri Poincaré (1900) mostró que esta hora local (de primer orden en v / c) está indicada por relojes que se mueven en el éter, que están sincronizados bajo el supuesto de una velocidad constante de la luz. En 1904, especuló que la velocidad de la luz podría ser una velocidad límite en la dinámica, siempre que se confirmen todos los supuestos de la teoría de Lorentz. En 1905, Poincaré llevó la teoría del éter de Lorentz a un acuerdo observacional completo con el principio de relatividad . [146] [147]
Relatividad especial
En 1905, Einstein postuló desde el principio que la velocidad de la luz en el vacío, medida por un observador que no acelera, es independiente del movimiento de la fuente o del observador. Utilizando esto y el principio de la relatividad como base, derivó la teoría especial de la relatividad , en la que la velocidad de la luz en el vacío c figuraba como una constante fundamental, apareciendo también en contextos no relacionados con la luz. Esto hizo inútil el concepto de éter estacionario (al que todavía se adherían Lorentz y Poincaré) y revolucionó los conceptos de espacio y tiempo. [148] [149]
Mayor precisión de cy redefinición del metro y segundo
En la segunda mitad del siglo XX, se avanzó mucho en el aumento de la precisión de las mediciones de la velocidad de la luz, primero mediante técnicas de resonancia de cavidades y luego mediante técnicas de interferómetro láser. Estos fueron ayudados por definiciones nuevas y más precisas del metro y el segundo. En 1950, Louis Essen determinó la velocidad como299 792 .5 ± 3,0 km / s , utilizando resonancia de cavidad. [108] Este valor fue adoptado por la 12ª Asamblea General de la Unión Radio-Científica en 1957. En 1960, el medidor fue redefinido en términos de la longitud de onda de una línea espectral particular de kriptón-86, y, en 1967, el segundo se redefinió en términos de la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental del cesio-133 . [150]
En 1972, utilizando el método del interferómetro láser y las nuevas definiciones, un grupo de la Oficina Nacional de Normas de EE. UU . En Boulder, Colorado, determinó que la velocidad de la luz en el vacío era c = 299 792 456 0,2 ± 1,1 m / s . Esto fue 100 veces menos incierto que el valor previamente aceptado. La incertidumbre restante estaba relacionada principalmente con la definición del medidor. [Nota 15] [114] Como experimentos similares encontraron resultados comparables para c , la 15ª Conferencia General de Pesas y Medidas en 1975 recomendó usar el valor299 792 458 m / s para la velocidad de la luz. [153]
Definiendo la velocidad de la luz como una constante explícita
En 1983, la 17ª reunión de la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) descubrió que las longitudes de onda de las mediciones de frecuencia y un valor dado para la velocidad de la luz son más reproducibles que el estándar anterior. Mantuvieron la definición de 1967 de segundo , por lo que la frecuencia hiperfina de cesio ahora determinaría tanto el segundo como el metro. Para ello, redefinieron el metro como: "El metro es la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1 /299 792 458 de segundo ". [88] Como resultado de esta definición, el valor de la velocidad de la luz en el vacío es exactamente299 792 458 m / s [154] [155] y se ha convertido en una constante definida en el sistema SI de unidades. [13] Las técnicas experimentales mejoradas que, antes de 1983, habrían medido la velocidad de la luz ya no afectan el valor conocido de la velocidad de la luz en unidades SI, sino que permiten una realización más precisa del medidor midiendo con mayor precisión la longitud de onda. de Krypton-86 y otras fuentes de luz. [156] [157]
En 2011, la CGPM declaró su intención de redefinir las siete unidades básicas del SI utilizando lo que llama "la formulación de constante explícita", donde cada "unidad se define indirectamente especificando explícitamente un valor exacto para una constante fundamental bien reconocida", como se hizo para la velocidad de la luz. Propuso una redacción nueva, pero completamente equivalente, de la definición del metro: "El metro, símbolo m, es la unidad de longitud; su magnitud se establece fijando el valor numérico de la velocidad de la luz en el vacío para que sea exactamente igual a299 792 458 cuando se expresa en la unidad SI ms -1 ". [158] Este fue uno de los cambios que se incorporó en la redefinición de 2019 de las unidades base del SI , también denominado Nuevo SI .
Ver también
- Segundos luz
- Velocidad de la electricidad
- Velocidad de la gravedad
- Velocidad del sonido
- Factor de velocidad
- Factor de deformación (ficticio)
Notas
- ^ Valor exacto: (299 792 458 × 60 × 60 × 24 /149 597 870 700 ) AU / día
- ^ Valor exacto: (999 992 651 π /10 246 429 500 ) pc / y
- ^ a b La velocidad de la luz en unidades imperiales y unidades estadounidenses se basa en una pulgada de exactamente2,54 cm y es exactamente
- 299 792 458 m / s × 100cm/metro × 1/2,54 en/cm
- ^ Que a su vez se define como el período de tiempo ocupado por9 192 631 770 ciclos de la radiación emitida por un átomo de cesio -133 en una transición entre dos estados de energía especificados . [2]
- ^ Sin embargo, la frecuencia de la luz puede depender del movimiento de la fuente en relación con el observador, debido al efecto Doppler .
- ^ Ver el experimento de Michelson-Morley y el experimento de Kennedy-Thorndike , por ejemplo.
- ^ Mientras que los objetos en movimiento se miden para que sean más cortos a lo largo de la línea de movimiento relativo, también se los considera girados. Este efecto, conocido como rotación de Terrell , se debe a los diferentes tiempos que tarda la luz de diferentes partes del objeto en llegar al observador. [22] [23]
- ↑ Algunos autores consideran dudosa la interpretación de las observaciones sobre sistemas binarios utilizadas para determinar la velocidad de la gravedad, lo que deja incierta la situación experimental. [26]
- ↑ Se cree que el efecto Scharnhorst permite que las señales viajen un poco más rápido que c , pero las condiciones especiales en las que puede ocurrir este efecto impiden que se utilice este efecto para violar la causalidad. [38]
- ^ Un valor típico para el índice de refracción de la fibra óptica está entre 1,518 y 1,538. [75]
- ^ La unidad astronómica se definió como el radio de una órbita circular newtoniana no perturbada alrededor del Sol de una partícula que tiene una masa infinitesimal, que se mueve con una frecuencia angular de 0.017 202 098 95 radianes (aproximadamente 1 ⁄365,256 898 de revolución) por día. [95]
- ↑ Sin embargo, con este grado de precisión, los efectos de la relatividad general deben tenerse en cuenta al interpretar la extensión. El metro se considera una unidad de longitud adecuada , mientras que el AU se utiliza generalmente como una unidad de longitud observada en un marco de referencia dado. Los valores citados aquí siguen la última convención y soncompatibles con TDB . [97]
- ^ Una discusión detallada del interferómetro y su uso para determinar la velocidad de la luz se puede encontrar en Vaughan (1989). [111]
- ↑ Según Galileo, las linternas que usaba estaban "a una distancia corta, menos de una milla". Suponiendo que la distancia no era mucho más corta que una milla, y que "alrededor de una trigésima parte de un segundo es el intervalo de tiempo mínimo distinguible a simple vista", Boyer señala que, en el mejor de los casos, podría decirse que el experimento de Galileo estableció un límite inferior de aproximadamente 60 millas por segundo para la velocidad de la luz.
- ^ Entre 1960 y 1983 el metro se definió como: "El metro es la longitud igual a1 650 763 .73 longitudes de onda en el vacío de la radiación correspondiente a la transición entre los niveles 2p 10 y 5d 5 del átomo de kriptón 86 ". [151] En la década de 1970 se descubrió que esta línea espectral no era simétrica, lo que puso un límite en la precisión con la que la definición podría realizarse en experimentos de interferometría. [152]
Referencias
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Otras lecturas
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enlaces externos
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- Definición del medidor (Oficina Internacional de Pesos y Medidas, BIPM)
- Velocidad de la luz en el vacío (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, NIST)
- Galería de datos: Michelson Speed of Light (estimación de ubicación univariante) (descargar datos recopilados por Albert A. Michelson )
- Subluminal (subprograma de Java que demuestra los límites de información de velocidad de grupo)
- Preguntas frecuentes sobre física de Usenet
- De Mora Luminis en MathPages
- Discusión ligera sobre la adición de velocidades
- Speed of Light (Departamento de Física de la Universidad de Colorado)
- Velocidad de la luz (Sesenta símbolos, Departamento de Física de la Universidad de Nottingham [video])
- Speed of Light , BBC Radio 4 Discussion ( In Our Time , 30 de noviembre de 2006)
- Velocidad de la luz (Live-Counter - Ilustraciones)
- Speed of Light - demostraciones animadas