Desde la antigüedad, filósofos y eruditos han tratado de entender la luz. Además de tratar de discernir sus propiedades básicas (es decir, de qué está hecho: partículas u ondas, etc.), también han tratado de hacer mediciones finitas de la velocidad a la que viaja. Desde finales del siglo XVII, los científicos han estado haciendo exactamente eso y con mayor precisión.
Al hacerlo, han adquirido una mejor comprensión de la mecánica de la luz y el importante papel que desempeña en física, astronomía y cosmología. En pocas palabras, la luz se mueve a velocidades increíbles y es la cosa que se mueve más rápido en el Universo. Su velocidad se considera una barrera constante e irrompible, y se utiliza como un medio para medir la distancia. ¿Pero qué tan rápido viaja?
Velocidad de la luz (C):
La luz viaja a una velocidad constante de 1,079,252,848.8 km (1.07 mil millones) por hora. Eso equivale a 299,792,458 m / s, o alrededor de 670,616,629 mph (millas por hora). Para ponerlo en perspectiva, si pudieras viajar a la velocidad de la luz, serías capaz de circunnavegar el globo aproximadamente siete veces y media en un segundo. Mientras tanto, una persona que vuela a una velocidad promedio de aproximadamente 800 km / h (500 mph) tardaría más de 50 horas en dar la vuelta al planeta una sola vez.
Para poner eso en una perspectiva astronómica, la distancia promedio de la Tierra a la Luna es de 384,398.25 km (238,854 millas). Entonces la luz cruza esa distancia en aproximadamente un segundo. Mientras tanto, la distancia promedio del Sol a la Tierra es de ~ 149,597,886 km (92,955,817 millas), lo que significa que la luz solo toma alrededor de 8 minutos para hacer ese viaje.
No es de extrañar entonces por qué la velocidad de la luz es la métrica utilizada para determinar las distancias astronómicas. Cuando decimos que una estrella como Proxima Centauri está a 4.25 años luz de distancia, estamos diciendo que tomaría, viajando a una velocidad constante de 1.07 mil millones de kilómetros por hora (670,616,629 mph), aproximadamente 4 años y 3 meses para llegar allí. Pero, ¿cómo llegamos a esta medición altamente específica para la "velocidad de la luz"?
Historia de estudio:
Hasta el siglo XVII, los estudiosos no estaban seguros de si la luz viajaba a una velocidad finita o instantánea. Desde los días de los antiguos griegos hasta los eruditos islámicos medievales y los científicos del período moderno temprano, el debate fue de un lado a otro. No fue hasta el trabajo del astrónomo danés Øle Rømer (1644-1710) que se realizó la primera medición cuantitativa.
En 1676, Rømer observó que los períodos de la luna más profunda de Júpiter, Io, parecían ser más cortos cuando la Tierra se acercaba a Júpiter que cuando se alejaba de ella. A partir de esto, concluyó que la luz viaja a una velocidad finita, y estimó que se tarda unos 22 minutos en cruzar el diámetro de la órbita de la Tierra.
Christiaan Huygens utilizó esta estimación y la combinó con una estimación del diámetro de la órbita de la Tierra para obtener una estimación de 220,000 km / s. Isaac Newton también habló sobre los cálculos de Rømer en su trabajo seminal Opticks (1706). Ajustando la distancia entre la Tierra y el Sol, calculó que tomaría siete u ocho minutos de luz para viajar de uno a otro. En ambos casos, estaban fuera por un margen relativamente pequeño.
Las mediciones posteriores realizadas por los físicos franceses Hippolyte Fizeau (1819-1896) y Léon Foucault (1819-1868) refinaron aún más estas mediciones, lo que resultó en un valor de 315,000 km / s (192,625 mi / s). Y para la segunda mitad del siglo XIX, los científicos se dieron cuenta de la conexión entre la luz y el electromagnetismo.
Esto fue realizado por físicos que midieron las cargas electromagnéticas y electrostáticas, quienes luego descubrieron que el valor numérico estaba muy cerca de la velocidad de la luz (medido por Fizeau). Basado en su propio trabajo, que mostró que las ondas electromagnéticas se propagan en el espacio vacío, el físico alemán Wilhelm Eduard Weber propuso que la luz era una onda electromagnética.
El siguiente gran avance se produjo a principios del siglo XX / En su artículo de 1905, titulado "Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento ", Albert Einstein afirmó que la velocidad de la luz en el vacío, medida por un observador no acelerador, es la misma en todos los marcos de referencia inerciales e independiente del movimiento de la fuente u observador.
Usando esto y el principio de relatividad de Galileo como base, Einstein derivó la teoría de la relatividad especial, en la cual la velocidad de la luz en el vacío (C) fue una constante fundamental. Antes de esto, el consenso de trabajo entre los científicos sostenía que el espacio estaba lleno de un "éter luminífero" que era responsable de su propagación, es decir, que la luz que viajaba a través de un medio móvil sería arrastrada por el medio.
Esto a su vez significaba que la velocidad medida de la luz sería una simple suma de su velocidad mediante el medio más la velocidad de ese medio Sin embargo, la teoría de Einstein efectivamente inutilizó el concepto del éter estacionario y revolucionó los conceptos de espacio y tiempo.
No solo avanzó la idea de que la velocidad de la luz es la misma en todos los marcos de referencia inerciales, sino que también introdujo la idea de que ocurren cambios importantes cuando las cosas se acercan a la velocidad de la luz. Estos incluyen el marco de espacio-tiempo de un cuerpo en movimiento que parece ralentizarse y contraerse en la dirección del movimiento cuando se mide en el marco del observador (es decir, dilatación del tiempo, donde el tiempo se ralentiza a medida que se acerca la velocidad de la luz).
Sus observaciones también conciliaron las ecuaciones de Maxwell para la electricidad y el magnetismo con las leyes de la mecánica, simplificaron los cálculos matemáticos al eliminar las explicaciones extrañas utilizadas por otros científicos y acordaron con la velocidad de la luz observada directamente.
Durante la segunda mitad del siglo XX, las mediciones cada vez más precisas utilizando inferómetros láser y técnicas de resonancia de cavidades refinarían aún más las estimaciones de la velocidad de la luz. Para 1972, un grupo de la Oficina Nacional de Estándares de EE. UU. En Boulder, Colorado, utilizó la técnica del inferómetro láser para obtener el valor actualmente reconocido de 299,792,458 m / s.
Papel en la astrofísica moderna:
La teoría de Einstein de que la velocidad de la luz en el vacío es independiente del movimiento de la fuente y que el marco de referencia inercial del observador ha sido confirmado constantemente por muchos experimentos. También establece un límite superior en las velocidades a las que todas las partículas y ondas sin masa (que incluye la luz) pueden viajar en el vacío.
Una de las consecuencias de esto es que los cosmólogos ahora tratan el espacio y el tiempo como una estructura única y unificada conocida como espacio-tiempo, en la que la velocidad de la luz se puede utilizar para definir valores para ambos (es decir, "años luz", "minutos luz" y "Segundos de luz"). La medición de la velocidad de la luz también se ha convertido en un factor importante al determinar la tasa de expansión cósmica.
A partir de la década de 1920 con observaciones de Lemaitre y Hubble, los científicos y astrónomos se dieron cuenta de que el Universo se está expandiendo desde un punto de origen. Hubble también observó que cuanto más lejos está una galaxia, más rápido parece moverse. En lo que ahora se conoce como el Parámetro de Hubble, la velocidad a la que se expande el Universo se calcula en 68 km / s por megaparsec.
Este fenómeno, que se ha teorizado que significa que algunas galaxias en realidad podrían moverse más rápido que la velocidad de la luz, puede poner un límite a lo que es observable en nuestro Universo. Esencialmente, las galaxias que viajan más rápido que la velocidad de la luz cruzarían un "horizonte de eventos cosmológicos", donde ya no son visibles para nosotros.
Además, en la década de 1990, las mediciones de desplazamiento al rojo de galaxias distantes mostraron que la expansión del Universo se ha acelerado durante los últimos miles de millones de años. Esto ha llevado a teorías como "Energía Oscura", donde una fuerza invisible está impulsando la expansión del espacio en lugar de que los objetos se muevan a través de él (por lo tanto, no imponen restricciones a la velocidad de la luz ni violan la relatividad).
Junto con la relatividad especial y general, el valor moderno de la velocidad de la luz en el vacío ha llegado a informar la cosmología, la física cuántica y el modelo estándar de la física de partículas. Sigue siendo una constante cuando se habla del límite superior al que pueden viajar las partículas sin masa, y sigue siendo una barrera inalcanzable para las partículas que tienen masa.
Quizás, algún día, encontraremos una manera de superar la velocidad de la luz. Si bien no tenemos ideas prácticas sobre cómo podría suceder esto, el dinero inteligente parece estar en tecnologías que nos permitirán eludir las leyes del espacio-tiempo, ya sea creando burbujas de urdimbre (también conocido como Alcubierre Warp Drive) o haciendo un túnel a través de él ( aka. agujeros de gusano).
Hasta ese momento, solo tendremos que estar satisfechos con el Universo que podemos ver, y seguir explorando la parte a la que se puede acceder utilizando métodos convencionales.
Hemos escrito muchos artículos sobre la velocidad de la luz para la revista Space. Aquí está ¿Qué tan rápida es la velocidad de la luz ?, ¿Cómo se mueven las galaxias más rápido que la luz ?, ¿Cómo puede viajar al espacio más rápido que la velocidad de la luz ?, y ¿Romper la velocidad de la luz?
Aquí hay una calculadora genial que te permite convertir muchas unidades diferentes para la velocidad de la luz, y aquí hay una calculadora de relatividad, en caso de que quieras viajar casi a la velocidad de la luz.
Astronomy Cast también tiene un episodio que aborda preguntas sobre la velocidad de la luz: preguntas que muestran: relatividad, relatividad y más relatividad.
Fuentes:
- Wikipedia - Velocidad de la luz
- La física del universo: la velocidad de la luz y el principio de la relatividad
- NASA - ¿Cuál es la velocidad de la luz?
- Galileo y Einstein - La velocidad de la luz
