velocidad de la luz

La velocidad de la luz en el espacio libre (un vacío) es la velocidad a la que se propagan las ondas electromagnéticas, incluidas las ondas de luz. Conocida como c, es una constante física fundamental. La velocidad de la luz en el espacio libre desempeña un papel importante en la física moderna porque c es la velocidad límite de propagación de cualquier acción física (véase TEORÍA DE LA RELACIÓN) y es invariante -es decir, no cambia- en la transición de un marco de referencia a otro. No se pueden transmitir señales a velocidades superiores a c, y las señales sólo pueden transmitirse a la velocidad c en el vacío. La relación entre la masa de un cuerpo material y la energía total del cuerpo se expresa en términos de c. La cantidad c aparece en las transformaciones de Lorentz, que expresan los cambios de coordenadas, velocidades y tiempo cuando se cambia el marco de referencia. En muchas otras relaciones también interviene c.

Figura 1. Determinación de la velocidad de la luz por el método de la rueda dentada de Fizeau: (S) fuente de luz, (W) rueda dentada giratoria de velocidad variable para la que se conocen con precisión las anchuras de los dientes y de los espacios (a) entre los dientes, (N) espejo semitransparente, (M) espejo reflectante, (MN)distancia medida con precisión, (E) ocular. La luz vista por el observador en E es de mayor brillo cuando el tiempo necesario para que la luz recorra la distancia NM y vuelva es igual al tiempo necesario para que W gire un número integral (1, 2, 3, etc.) de dientes. Cuando se cumple esta condición, el haz de luz pasa estrictamente por la mitad de los dientes tanto en el viaje hacia el espejo reflector como en el viaje de vuelta.

La cantidad c′, la velocidad de la luz en un medio, se refiere generalmente a la velocidad de propagación de la radiación óptica justa, o luz. Esta velocidad depende del índice de refracción n del medio, que, debido al fenómeno de la dispersión, es diferente para diferentes frecuencias ν de la radiación: c′(v) = c/n(v). Debido a esta dependencia, la velocidad de fase de la luz en un medio es diferente de la velocidad de grupo (cuando se considera la luz no monocromática). En el vacío, estas dos magnitudes son iguales. Cuando se realizan determinaciones experimentales de c’, siempre se mide la velocidad de grupo o la velocidad de la señal (velocidad del flujo de energía). La velocidad de la señal difiere de la velocidad de grupo sólo en algunos casos especiales.

La medición de c con la mayor precisión posible es extremadamente importante no sólo por razones teóricas generales y para la determinación de los valores de otras magnitudes físicas, sino también para fines prácticos (véase más adelante). La primera medición de la velocidad de la luz fue realizada en 1676 por O. Roemer. Su método se basó en la variación del tiempo entre eclipses de Io, el satélite de Júpiter. Otra determinación astronómica fue realizada por J. Bradley en 1728 sobre la base de sus observaciones de la aberración de la luz de las estrellas.

La primera medición de la velocidad de la luz en la Tierra fue realizada por A. H. L. Fizeau en 1849. Hay que tener en cuenta que el índice de refracción del aire difiere muy poco de 1; por lo tanto, las mediciones terrestres arrojan un valor extremadamente cercano a c. Fizeau basó su medición en el tiempo que necesita la luz para atravesar una distancia conocida con precisión. En su experimento, un haz de luz era interrumpido periódicamente por una rueda dentada que giraba. El haz recorría la distancia conocida de unos 8 km y, tras ser reflejado por un espejo, volvía a la periferia de la rueda (figura 1). En este punto, la luz se encontraba con un diente y era bloqueada o pasaba por un hueco entre dos dientes y era percibida por el observador. El tiempo requerido por la luz para recorrer la distancia conocida se determinó a partir de las velocidades conocidas de rotación de la rueda. Fizeau obtuvo para c el valor de 315,300 km/seg.

En 1838, D. Arago sugirió el uso de un espejo de rotación rápida en lugar de una rueda dentada. J. B. L. Foucault puso en práctica la sugerencia de Arago en 1862 con un espejo que giraba a una velocidad de 512 revoluciones por segundo. Tras reflejarse en el espejo giratorio, el haz de luz recorría la distancia conocida hasta un espejo cóncavo fijo, que devolvía el haz al espejo giratorio. Mientras el haz de luz viajaba desde y hacia el espejo giratorio, éste giraba ligeramente (Figura 2). Utilizando una distancia conocida de sólo 20 m, Foucault encontró que la velocidad de la luz era igual a 298.000 ± 500 km/seg.

Las ideas básicas y los diseños experimentales que subyacen a las determinaciones de Fi-zeau y Foucault sobre la velocidad de la luz fueron utilizados posteriormente, de forma más refinada, por otros científicos. El método de Foucault alcanzó su máximo desarrollo en los trabajos de A. Michelson (1879, 1902 y 1926). El valor que Michelson obtuvo en 1926, c – 299,796 ± 4 km/seg, fue la medición más precisa de la época y se utilizó en las tablas internacionales de magnitudes físicas.

Figura 2. Determinación de la velocidad de la luz por el método del espejo giratorio de Foucault: (S) fuente de luz, (R)espejo que gira rápidamente, (C) espejo cóncavo fijo cuyo centro coincide con el eje de rotación de R (la luz reflejada por C, por tanto, siempre viaja de vuelta a R), (M) espejo semitransparente, (L)lente, (E) ocular, (RC) distancia medida con precisión. A medida que la luz recorre el camino RC y vuelve, R gira; la posición de R cuando la luz llega de nuevo a R se indica con una línea discontinua. La trayectoria de retorno del haz de rayos a través de L también se indica con líneas discontinuas. El rayo reflejado converge por L al punto S′ antes que a S, como ocurriría si R estuviera inmóvil. La velocidad de la luz se determina midiendo el desplazamiento SS′.

Además de cumplir la tarea de determinar la velocidad de la luz, las mediciones realizadas en el siglo XIX desempeñaron un papel extremadamente importante en la física. Proporcionaron una confirmación adicional de la teoría ondulatoria de la luz (verÓPTICA), que ya había sido corroborada adecuadamente por otros experimentos -por ejemplo, Foucault en 1850 comparó las velocidades de la luz de la misma frecuencia ν en el aire y en el agua. Las mediciones también demostraron la estrecha relación entre la óptica y la teoría del electromagnetismo, ya que la velocidad de la luz medida coincidía con la velocidad de las ondas electromagnéticas que se calculaba a partir de la relación de las unidades de carga eléctrica electromagnética y electrostática. Esta relación fue medida en experimentos por W. Weber y F. Kohlrausch en 1856. Posteriormente, J. C. Maxwell realizó mediciones más precisas. La relación fue uno de los puntos de partida para la creación de la teoría electromagnética de la luz por parte de Maxwell entre 1864 y 1873.

Las mediciones de la velocidad de la luz también revelaron una contradicción profundamente arraigada en las premisas teóricas básicas de la física de la época con respecto al concepto del éter universal. Las mediciones proporcionaron pruebas de hipótesis mutuamente excluyentes sobre el comportamiento del éter cuando los cuerpos materiales se mueven a través de él. El arrastre parcial del éter encontró apoyo en el análisis del fenómeno de la aberración de la luz realizado por el físico inglés G. B. Airy en 1871 y en el experimento de Fizeau de 1851, que fue repetido en 1886 por Michelson y E. Morley. Los experimentos de Michelson en 1881 y de Michelson y Morley en 1887 aportaron pruebas contra el arrastre del éter. Esta contradicción no se resolvió hasta que A. Einstein presentó su teoría especial de la relatividad en 1905.

Las mediciones actuales de la velocidad de la luz suelen utilizar el método de modulación, que es una modernización del método de Fizeau. La rueda dentada se sustituye, por ejemplo, por un modulador óptico de electrotropa, de difracción o de interferencia, que interrumpe o atenúa el haz de luz (véaseMODULACIÓN DE LA LUZ). Como detector de radiación se utiliza una célula fotoeléctrica o un fotomultiplicador. El uso de un láser como fuente de luz, el empleo de un modulador ultrasónico con una frecuencia estabilizada y la mejora de la precisión de la medición de la distancia conocida permitieron reducir el error de medición y dieron como resultado el valor c = 299.792,5 ± 0,15 km/seg.

Además de las mediciones directas de la velocidad de la luz basadas en el tiempo necesario para recorrer una distancia conocida, se recurre ampliamente a métodos indirectos, que proporcionan una precisión aún mayor. En 1958, el físico británico K. Froome utilizó un interferómetro de espacio libre de microondas para obtener el valor c = 299.792,5 ± 0,1 km/seg para una radiación de longitud de onda λ = 4 cm. El error es aún menor cuando la velocidad de la luz se determina como el cociente de λ y ν de líneas espectrales atómicas o moleculares halladas independientemente. En 1972, el científico estadounidense K. Evenson y sus colaboradores encontraron, con una precisión de 11 dígitos, la frecuencia de radiación de un láser de CH4 utilizando un estándar de frecuencia de cesio (véase ESTÁNDARES DE FRECUENCIA CUÁNTICA). Determinaron la longitud de onda de la radiación (aproximadamente 3,39 micrómetros) utilizando un patrón de frecuencia de criptón. El resultado final que obtuvieron fue c = 299.792.456,2 ± 0,8 m/seg. A partir de 1976, la velocidad de la luz en el vacío se tomó como 299.792 ± 0,4 km/seg, de acuerdo con una decisión de la 12ª Asamblea General de la Unión Científica Internacional de Radiocomunicaciones (ahora Unión Internacional de Ciencias de la Radio) en 1957.

El conocimiento del valor exacto de la velocidad de la luz es de gran importancia práctica, especialmente en la determinación de distancias (sobre la base del tiempo de viaje de las señales de radio o luz) en el radar, la detección y el alcance ópticos, y la búsqueda de distancias. Este método de determinación de la distancia se utiliza especialmente en la geodesia y en los sistemas de seguimiento de satélites artificiales; también se ha utilizado para realizar mediciones precisas de la distancia entre la Tierra y la Luna y para resolver una serie de otros problemas.