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 constante
universal de valor 299.792.458 m/s (suele aproximarse a 3·108 m/s), o lo que
es lo mismo 9,46·1015 m/año; la segunda cifra es la usada para definir al
intervalo llamado año luz.
Se simboliza con la letra c, proveniente del latín celéritās (en español
celeridad 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 el
Sistema 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 su
permitividad eléctrica, de su permeabilidad magnética, y otras características
electromagnéticas. En medios materiales, esta velocidad es inferior a "c" y
queda codificada en el índice de refracción. En modificaciones del vacío más
sutiles, como espacios curvos, efecto Casimir, poblaciones térmicas o
presencia de campos externos, la velocidad de la luz depende de la densidad
de energía de ese vacío.

2. La luz solar tarda aproximadamente 8
minutos y 19 segundos en llegar a la
Tierra. Valores exactos metros por
segundo 299.792.458 Unidades de
Planck 1 Valores aproximados
kilómetros por segundo 300.000
kilómetros por hora 1.079 millones
Unidad astronómica por día 173
Duración aproximada del tiempo que
tarda la luz en recorrer Distancia:
Tiempo: un metro 3,3 ns un kilómetro
3,3 μs desde la órbita geoestacionaria
a la Tierra 0,12 s la longitud del
Ecuador terrestre 0,13 s desde la Luna
a la Tierra 1,28 s desde el Sol a la
Tierra (1 ua) 8,32 min un parsec 3,26 años desde Alfa Centauri a la Tierra 4,4 años desde la galaxia más
cercana a la Tierra 25.000 años a través de la Vía Láctea 100.000 años desde la galaxia de Andrómeda a
la Tierra 2,5 millones de años
Descripción
De acuerdo con la física moderna estándar, toda radiación
electromagnética (incluida la luz visible) se propaga o mueve a una velocidad
constante 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 rapidez
c es también la rapidez de la propagación de la gravedad en la Teoría general
de la relatividad.
Una consecuencia en las leyes del electromagnetismo (tales como las
ecuaciones de Maxwell) es que la rapidez c de radiación electromagnética no
depende 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 la
misma velocidad que la luz proveniente de una fuente estacionaria (aunque el
color, la frecuencia, la energía y el momentum de la luz cambiarán; fenómeno
que se conoce como efecto Doppler).
Si se combina esta observación con el principio de relatividad, se
concluye que todos los observadores medirán la velocidad de la luz en el
vacío 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 como
una constante física fundamental. Este hecho, entonces, puede ser usado
como base en la teoría de relatividad especial. La constante es la rapidez c, en
vez 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 una
velocidad menor a c, esto no afectará directamente a la teoría de relatividad
especial.
Observadores que viajan a grandes velocidades encontrarán que las
distancias y los tiempos se distorsionan de acuerdo con la transformación de
Lorentz. Sin embargo, las transformaciones distorsionan tiempos y distancias
de manera que la velocidad de la luz permanece constante. Una persona
viajando a una velocidad cercana a c también encontrará que los colores de la
luz al frente se tornan azules y atrás se tornan rojos.
Si la información pudiese viajar más rápido que c en un marco de
referencia, la causalidad sería violada: en otros marcos de referencia, la
información sería recibida antes de ser mandada; así, la causa podría ser
observada después del efecto. Debido a la dilatación del tiempo de la
relatividad especial, el cociente del tiempo percibido entre un observador
externo y el tiempo percibido por un observador que se mueve cada vez más
cerca de la velocidad de la luz se aproxima a cero. Si algo pudiera moverse
más rápidamente que luz, este cociente no sería un número real. Tal violación
de 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 científicos
del "NEC Research Institute at Princeton ", los cuales afirman haber logrado
pulsos de luz a una rapidez 300 veces superior a c.
(Es necesario notar que se trata de un experimento no confirmado ni
publicado aún).
Un cono de luz define la ubicación que está en contacto causal y
aquellas que no lo están. Para exponerlo de otro modo, la información se
propaga de y hacia un punto de regiones definidas por un cono de luz. El
intervalo AB en el diagrama a la derecha es "tiempo-como" (es decir, hay un
marco de la referencia en qué acontecimiento A y B ocurren en la misma
ubicación en el espacio, separados solamente por su ocurrencia en tiempos
diferentes, y si A precede B en ese marco entonces A precede B en todos
marcos: no hay marco de referencia en el cual el evento A y el evento B
ocurren simultáneamente). De este modo, es hipotéticamente posible para la
materia (o la información) viajar de A hacia B, así que puede haber una
relación causal (con A la causa y B el efecto).
Por otra parte, el intervalo AC es "espacio-como" (es decir, existe un
marco de referencia donde el evento A y el evento B ocurren
simultáneamente). Sin embargo, también existen marcos en los que A precede
a C o en el que C precede a A. Confinando una manera de viajar más rápido
que la luz, no será posible para ninguna materia (o información) viajar de A
hacia 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 luz
es exactamente 299.792.458 m/s (aproximadamente 3 × 108 metros por
segundo, 300.000 km/s o 300 m por millonésima de s).
El valor de c define la permitividad eléctrica del vacío ( ) en unidades del
SIU como:
La permeabilidad magnética del vacío (μ0) no es dependiente de c y es
definida en unidades del SIU como:
.

5. Estas constantes aparecen en las ecuaciones de Maxwell, que describen el
electromagnetismo y están relacionadas por:
Las distancias astronómicas son normalmente medidas en años luz (que
es 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 la
longitud de un meridiano a través de París, con referencia a la barra estándar
y 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 velocidad
de la luz.
En 1967 la XIII Conferencia General de Pesos y Medidas definió al
segundo del tiempo atómico como la duración de 9.192.631.770 períodos de
radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del
estado fundamental del átomo cesio-133, que en la actualidad sigue siendo la
definición del segundo.
En 1983 la Conferencia General de Pesos y Medidas definió el metro
como la longitud de la trayectoria viajada por la luz en absoluto vacío durante
un intervalo de tiempo de 1/299.792.458 de segundo, basándose en la
constancia de la rapidez de la luz para todos los observadores. Esto significa
que al medir la rapidez de la luz, al hallar cualquier diferencia medible de los
valores definidos, entonces la longitud de tiempo estándar es incorrecta, o

6. está exhibiendo un cambio desde el último momento en que fue medida. Si
tal 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 habría
hecho un importante descubrimiento.
La motivación en el cambio de la definición del metro, así como todos
los cambios en la definición de unidades, fue proveer una definición precisa
de la unidad que pudiese ser fácilmente usada para calibrar homogéneamente
dispositivos en todo el mundo. La barra estándar no era práctica en este
sentido, ya que no podía ser sacada de su cámara o utilizada por dos
científicos al mismo tiempo. También era propensa a cambios masivos de
longitud (comparados a la exactitud requerida) debido a variaciones de
temperatura, por lo que requirió un largo tiempo de ajustes, desgaste de los
extremos, oxidación, etc., lo que se convirtió en importantes problemas en la
búsqueda de la exactitud perfecta.
La velocidad de la luz es de gran importancia para las
telecomunicaciones. Por ejemplo, dado que el perímetro de la Tierra es de
40.075 km (en la línea ecuatorial) y c es teóricamente la velocidad más rápida
en la que un fragmento de información puede viajar, el período más corto de
tiempo 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 a
que la velocidad de la luz es cerca de un 30% menor en una fibra óptica, y
raramente existen trayectorias rectas en las comunicaciones globales; además
se producen retrasos cuando la señal pasa a través de interruptores eléctricos
o generadores de señales. En 2004, el retardo típico de recepción de señales
desde Australia o Japón hacia los EE.UU. era de 0,18 s. Adicionalmente, la
velocidad de la luz afecta al diseño de las comunicaciones inalámbricas.
La velocidad finita de la luz se hizo aparente a todo el mundo en el
control de comunicaciones entre el Control Terrestre de Houston y Neil
Armstrong, cuando éste se convirtió en el primer hombre que puso un pie
sobre la Luna: después de cada pregunta, Houston tenía que esperar cerca de
3 s para el regreso de una respuesta aún cuando los astronautas respondían
inmediatamente.

7. De manera similar, el control remoto instantáneo de una nave
interplanetaria es imposible debido a que una nave suficientemente alejada de
nuestro planeta podría tardar algunas horas desde que envía información al
centro de control terrestre y recibe las instrucciones.
La velocidad de la luz también puede tener influencia en distancias
cortas. En los superordenadores la velocidad de la luz impone un límite de
rapidez a la que pueden ser enviados los datos entre procesadores. Si un
procesador opera a 1 GHz, la señal sólo puede viajar a un máximo de
300 mm en un ciclo único. Por lo tanto, los procesadores deben ser colocados
cerca uno de otro para minimizar los retrasos de comunicación. Si las
frecuencias de un reloj continúan incrementándose, la rapidez de la luz
finalmente se convertirá en un factor límite para el diseño interno de chips
individuales.

8. Física
Velocidad constante para todos los marcos de
referencia
Es importante observar que la velocidad de la luz no es un límite de
velocidad en el sentido convencional. Un observador que persigue un rayo de
luz lo mediría al moverse paralelamente él mismo viajando a la misma
velocidad como si fuese un observador estacionario. Esto conllevaría a
consecuencias inusuales para la velocidad.
La mayoría de los individuos están acostumbrados a la regla de la
adición de velocidades: si dos coches se acercan desde direcciones opuestas,
cada uno viajando a una velocidad de 50 km/h, se esperaría (con un alto
grado de precisión) que cada coche percibiría al otro en una velocidad
combinada de 50 + 50=100 km/h.
Sin embargo, a velocidades cercanas a la de la luz, en resultados
experimentales se hace claro que esta regla no se puede aplicar. Dos naves
que se aproximen una a otra, cada una viajando al 90% de la velocidad de la
luz relativas a un tercer observador entre ellas, no se percibirán mutuamente a
un 90% + 90%=180% de la velocidad de la luz. En su lugar, cada una
percibirá a la otra aproximándose a menos de un 99,5% de la velocidad de la
luz. Este resultado se da por la fórmula de adición de la velocidad de
Einstein:
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 que
un observador se mueva relativamente hacia otro observador, ambos medirán
la 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 relatividad
especial, la cual toma el principio de relatividad como premisa principal. Este
principio (originalmente propuesto por Galileo Galilei) requiere que actúen
leyes físicas de la misma manera en todos los marcos de referencia.
Ya que las ecuaciones de Maxwell otorgan directamente una velocidad
de la luz, debería ser lo mismo para cada observador; una consecuencia que
sonaba obviamente equivocada para los físicos del siglo XIX, quienes
asumían que la velocidad de la luz dada por la teoría de Maxwell es válida en
relación al "éter lumínico".
Pero el experimento de Michelson y Morley, puede que el más famoso y
útil 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 los
marcos de referencia.
Aunque no se sabe si Einstein conocía los resultados de los
experimentos de Michelson y Morley, él dio por hecho que la velocidad de la
luz era constante, lo entendió como una reafirmación del principio de
relatividad de Galileo, y dedujo las consecuencias, ahora conocidas como la
teoría 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 la
velocidad de la luz en ese medio comparada con el vacío. La disminución de
la velocidad de la luz en los materiales puede causar la refracción, según lo
demostrado por este prisma (en el caso de una luz blanca que parte del prisma
en un espectro de colores, la refracción se conocen como dispersión).
Al pasar a través de los materiales, la luz se propaga a una velocidad
menor que c por el cociente llamado «índice de refracción» del material. La
rapidez 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 la
rapidez de la luz, a fracciones como 3/4 y 2/3 de c. Esta disinución de
velocidad también es responsable de doblar la luz en una interfase entre dos
materiales con índices diferentes, un fenómeno conocido como refracción.
El índice de refracción "n" de un medio viene dado por la siguiente
expresión, donde "v" es la velocidad de la luz en ese medio:
Ya que la velocidad de la luz en los materiales depende del índice de
refracción, y el índice de refracción depende de la frecuencia de la luz, la luz
a diferentes frecuencias viaja a diferentes velocidades a través del mismo
material. Esto puede causar distorsión en ondas electromagnéticas
compuestas por múltiples frecuencias; un fenómeno llamado dispersión.
Los ángulos de incidencia (i) y de refracción (r) entre dos medios, y los
índices de refracción, están relacionados por la Ley de Snell. Los ángulos se
miden con respecto al vector normal a la superficie entre los medios:
A escala microscópica, considerando la radiación electromagnética
como 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 o
moléculas por los que está atravesando. En cierto sentido, la luz por sí misma
viaja sólo a través del vacío existente entre estos átomos, y es impedida por
los átomos. Alternativamente, considerando a la radiación electromagnética
como 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 la
velocidad de grupo de la luz exceder c. Un experimento hizo que la velocidad
de grupo de rayos láser viajara distancias extremadamente cortas a través de
átomos de cesio a 300 veces c. Sin embargo, no es posible usar esta técnica
para transferir información más rápido que c: la rapidez de la transferencia de
información depende de la velocidad frontal (la rapidez en la cual el primer
incremento de un pulso sobre cero la mueve adelante) y el producto de la
velocidad agrupada y la velocidad frontal es igual al cuadrado de la velocidad
normal de la luz en el material.
El exceder la velocidad de grupo de la luz de esta manera, es
comparable a exceder la velocidad del sonido emplazando personas en una
línea espaciada equidistantemente, y pidiéndoles a todos que griten una
palabra uno tras otro con intervalos cortos, cada uno midiendo el tiempo al
mirar su propio reloj para que no tengan que esperar a escuchar el grito de la
persona previa.
La rapidez de la luz también puede parecer superada en cierto fenómeno
que incluye ondas evanescentes, tales como túneles cuánticos. Los
experimentos indican que la velocidad de fase de ondas evanescentes pueden
exceder a c; sin embargo, parecería que ni la velocidad agrupada ni la
velocidad frontal exceden c, así, de nuevo, no es posible que la información
sea 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 la
mecánica cuántica: ver paradoja EPR). Por ejemplo, los estados cuánticos de
dos partículas pueden estar enlazados, de manera que el estado de una
partícula 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 las
partículas son observadas, éstas existen en una superposición de dos estados
cuánticos (+½, –½) y (–½, +½). Si las partículas son separadas y una de ellas
es observada para determinar su estado cuántico, entonces el estado cuántico
de la segunda partícula se determina automáticamente. Si, en algunas
interpretaciones de mecánica cuántica, se presume que la información acerca
del estado cuántico es local para una partícula, entonces se debe concluir que
la segunda partícula toma su estado cuántico instantáneamente, tan pronto
como la primera observación se lleva a cabo. Sin embargo, es imposible
controlar qué estado cuántico tomará la primera partícula cuando sea
observada, así que ninguna información puede ser transmitida de esta
manera. Las leyes de la física también parecen prevenir que la información
sea transmitida a través de maneras más astutas, y esto ha llevado a la
formulación de reglas tales como el teorema de no clonación.
El llamado movimiento superluminar también es visto en ciertos objetos
astronómicos, tales como los jet de Galaxia activa, galaxias activas y
cuásares. Sin embargo, estos jets no se mueven realmente a velocidades
excedentes a la de la luz: el movimiento aparente superluminar es una
proyección del efecto causado por objetos moviéndose cerca de la velocidad
de la luz en un ángulo pequeño del horizonte de visión.
Aunque puede sonar paradójico, es posible que las ondas expansivas se
hayan formado con la radiación electromagnética, ya que una partícula
cargada que viaja a través de un medio insolado, interrumpe el campo
electromagnético local en el medio. Los electrones en los átomos del medio
son desplazados y polarizados por el campo de la partícula cargada, y los
fotones que son emitidos como electrones se restauran a sí mismos para
mantener el equilibrio después de que la interrupción ha pasado (en un
conductor, la interrupción puede ser restaurada sin emitir un fotón).
En circunstancias normales, estos fotones interfieren destructivamente
unos con otros y no se detecta radiación. Sin embargo, si la interrupción viaja

13. más rápida que los mismos fotones, los fotones interferirán
constructivamente 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 tema
popular en la ciencia ficción. Se han propuesto partículas que viajan más
rápido que la luz, taquiones, doblados por la física de partículas, aunque
nunca se han observado.
Algunos físicos (entre ellos João Magueijo y John Moffat) han
propuesto que en el pasado la luz viajaba mucho más rápido que a la
velocidad actual. Esta teoría se conoce como velocidad de la luz variable, y
sus proponentes afirman que este fenómeno tiene la habilidad de explicar
mejor muchos enigmas cosmológicos que su teoría rival, el modelo
inflacionario del universo. Sin embargo, esta teoría no ha ganado suficiente
aceptación.
Experimentos para retardar la luz
Fenómenos refractivos tales como el arco iris tienden a retardar la
velocidad de la luz en un medio (como el agua, por ejemplo). En cierto
sentido, cualquier luz que viaja a través de un medio diferente del vacío viaja
a una velocidad menor que c como resultado de la refracción. Sin embargo,
ciertos materiales tienen un índice de refracción excepcionalmente alto: en
particular, la densidad óptica del condensado de Bose-Einstein puede ser muy
alta.
En 1999, un equipo de científicos encabezados por Lene Hau pudo
disminuir la velocidad de un rayo de luz a cerca de 17 m/s, y en 2001
pudieron detener momentáneamente un rayo de luz.
En 2003, Mijaíl Lukin, junto con científicos de la Universidad Harvard
y el Instituto de Física Lébedev (de Moscú), tuvieron éxito en detener
completamente la luz al dirigirla a una masa de gas rubidio caliente, cuyos
átomos, 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 tema
sujeto a grandes conjeturas. Empédocles creía que la luz era algo en
movimiento, 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 de
algo, pero no es el movimiento». Además, si la luz tiene una velocidad finita,
ésta tenía que ser inmensa. Aristóteles afirmó: «La tensión sobre nuestro
poder de creencias es demasiado grande para creer esto».
Una de las teorías antiguas de la visión es que la luz es emitida por el
ojo, en lugar de ser generada por una fuente y reflejada en el ojo. En esta
teoría, Herón de Alejandría adelantó el argumento de que la velocidad de la
luz debería ser infinita, ya que cuando uno abre los ojos objetos distantes
como las estrellas aparecen inmediatamente.
Islam
Los filósofos islámicos Avicena y Alhazen creían que la luz tenía una
velocidad finita, aunque en este punto otros filósofos convinieron con
Aristóteles.
Hinduismo
La escuela Ayran de filosofía en la antigua India también mantuvo que
la velocidad de la luz era finita.
Europa
Johannes Kepler creía que la velocidad de la luz era finita ya que el
espacio vacío no representa un obstáculo para ella. Francis Bacon argumentó
que la velocidad de la luz no es necesariamente finita, ya que algo puede
viajar 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 un
eclipse lunar. Debido a que tal desalineación no se ha observado, Descartes

15. concluyó que la velocidad de la luz es infinita. De hecho, Descartes estaba
convencido de que si la velocidad de la luz era finita, todo su sistema de
filosofía sería refutado.
Medición de la rapidez de la luz
La historia de la medición de la velocidad de la luz comienza en el siglo
XVII en los albores de la revolución científica. La mayor parte de los
primeros experimentos para intentar medir la velocidad de la luz fracasaron
debido a su alto valor, y tan solo se pudieron obtener medidas indirectas a
partir de fenómenos astronómicos. En el siglo XIX se pudieron realizar los
primeros experimentos directos de medición de la velocidad de la luz
confirmando su naturaleza electromagnética y las ecuaciones de Maxwell.
Primeros intentos
En 1629 Isaac Beeckman, un amigo de René Descartes, propuso un
experimento en el que se pudiese observar el flash de un cañón reflejándose
en un espejo ubicado a 1,6 km del primero. En 1638, Galileo propuso un
experimento, para medir la velocidad de la luz al observar la percepción del
retraso entre el lapso de destapar una linterna a lo lejos. René Descartes
criticó este experimento como algo superfluo, en el hecho de que la
observación de eclipses, los cuales tenían más poder para detectar una
rapidez finita, dio un resultado negativo. En 1667, este experimento se llevó a
cabo por la Academia del Cimento de Florencia, con las linternas separadas a
1,6 km sin observarse ningún retraso. Robert Hooke explicó los resultados
negativos tal como Galileo había dicho: precisando que tales observaciones
no establecerían la infinita velocidad de la luz, sino tan sólo que dicha
velocidad debía ser muy grande.
Primeras mediciones
En 1676 Ole Rømer realizó el primer estimado cuantitativo de la
velocidad de la luz, estudiando el movimiento del satélite Ío de Júpiter con un
telescopio. Es posible medir el tiempo de la revolución de Ío debido a los
movimientos de la sombra entrante/saliente de Júpiter en intervalos regulares.
Rømer observó que Ío gira alrededor de Júpiter cada 42,5 h cuando la Tierra
esta 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 sombra
comenzaría progresivamente más tarde de lo predicho. Las observaciones
detalladas mostraban que estas señales de salida necesitaban más tiempo en
llegar a la Tierra, ya que la Tierra y Júpiter se separaban cada vez más. De
este modo el tiempo extra utilizado por la luz para llegar a la Tierra podía
utilizarse para deducir la rapidez de ésta. 6 meses después, las entradas de Ío
en la proyección de la sombra ocurrían con mayor frecuencia ya que la Tierra
y Júpiter se acercaban uno a otro. Con base a estas observaciones, Rømer
estimó que la luz tardaría 22 min en cruzar el diámetro de la órbita de la
Tierra (es decir, el doble de la unidad astronómica); las estimaciones
modernas se acercan más a la cifra de 16 min y 40 s.
Alrededor de la misma época, la unidad astronómica se estimaba en
cerca de 140 millones de km. La unidad astronómica y la estimación del
tiempo de Rømer fueron combinados por Christian Huygens, quien consideró
que la velocidad de la luz era cercana a 1000 diámetros de la Tierra por
minuto, es decir, unos 220.000 km/s, muy por debajo del valor actualmente
aceptado, pero mucho más rápido que cualquier otro fenómeno físico
entonces conocido.
Isaac Newton también aceptó el concepto de velocidad finita. En su
libro Opticks expone el valor más preciso de 16 minutos por diámetro, el cual
parece él dedujo por sí mismo (se desconoce si fue a partir de los datos de
Rømer, o de alguna otra manera).
El mismo efecto fue subsecuentemente observado por Rømer en un
punto rotando con la superficie de Júpiter. Observaciones posteriores también
mostraron el mismo efecto con las otras tres lunas Galileanas, donde era más
difícil de observar al estar estos satélites más alejados de Júpiter y proyectar
sombras menores sobre el planeta.
Aunque por medio de estas observaciones, la velocidad finita de la luz
no 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 parecerían
provenir en un ángulo leve, que podría ser calculado al comparar la velocidad
de la Tierra en su órbita con la velocidad de la luz. Se observó esta llamada
aberración 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. Esta
aproximación es solamente un poco menor que el valor actualmente
aceptado. El efecto de aberración fue estudiado extensivamente en los siglos
posteriores, notablemente por Friedrich Georg Wilhelm Struve y Magnus
Nyren.
La segunda medida acertada de la velocidad de la luz usando un aparato
terrestre fue realizada por Hippolyte Fizeau en 1849. El experimento de
Fizeau era conceptualmente similar a aquellos propuestos por Beeckman y
Galileo. Un rayo de luz se dirigía a un espejo a cientos de metros de
distancia. En su trayecto de la fuente hacia el espejo, el rayo pasaba a través
de un engranaje rotatorio. A cierto nivel de rotación, el rayo pasaría a través
de un orificio en su camino de salida y en otro en su camino de regreso. Pero
en niveles ligeramente menores, el rayo se proyectaría en uno de los dientes y
no pasaría a través de la rueda. Conociendo la distancia hacia el espejo, el
número de dientes del engrane, y el índice de rotación, se podría calcular la
velocidad 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) y
Joseph Perrotin (1900) pero fue el físico francés Léon Foucault quien más
profundizó en la mejoras del método de Fizeau al reemplazar el engranaje
con 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 Simon
Newcomb y Albert Michelson, quien comenzó su larga carrera replicando y
mejorando este método.
En 1926, Michelson utilizó espejos rotatorios para medir el tiempo que
tardaba la luz en hacer un viaje de ida y vuelta entre la montaña Wilson y la
montaña San Antonio en California. Las medidas exactas rindieron una
velocidad de 299.796 km/s.

18. Diagrama del aparato
de Fizeau-Foucault.
Relatividad
Con base en el trabajo de James Clerk Maxwell, se sabe que la
velocidad de la radiación electromagnética es una constante definida por las
propiedades electromagnéticas del vacío (constante dieléctrica y
permeabilidad).
En 1887, los físicos Albert Michelson y Edward Morley realizaron el
influyente experimento Michelson-Morley para medir la velocidad de la luz
relativa al movimiento de la Tierra. La meta era medir la velocidad de la
Tierra a través del éter, el medio que se pensaba en ese entonces necesario
para la transmisión de la luz. Tal como se muestra en el diagrama de
interferómetro de Michelson, se utilizó un espejo con media cara plateada
para dividir un rayo de luz monocromática en dos rayos viajando en ángulos
rectos uno respecto del otro. Después de abandonar la división, cada rayo era
reflejado de ida y vuelta entre los espejos en varias ocasiones (el mismo
número para cada rayo para dar una longitud de trayectoria larga pero igual;
el experimento Michelson-Morley actual usa más espejos) entonces una vez
recombinados producen un patrón de interferencia constructiva y destructiva.
Cualquier cambio menor en la velocidad de la luz en cada brazo del
interferómetro cambiaría la cantidad de tiempo gastada en su tránsito, que
sería observado como un cambio en el patrón de interferencia. En el
acontecimiento, el experimento dio un resultado nulo.

19. Ernst Mach estuvo entre los primeros físicos que sugirieron que el
resultado del experimento era una refutación a la teoría del éter. El desarrollo
en física teórica había comenzado a proveer una teoría alternativa, la
contracción de Lorentz, que explicaba el resultado nulo del experimento.
Es incierto si Einstein sabía los resultados de los experimentos de
Michelson y Morley, pero su resultado nulo contribuyó en gran medida a la
aceptación de su teoría de relatividad. La teoría de Einstein no requirió un
elemento etérico sino que era completamente consistente con el resultado
nulo del experimento: el éter no existe y la velocidad de la luz es la misma en
cada dirección. La velocidad constante de la luz es uno de los postulados
fundamentales (junto con el principio de causalidad y la equivalencia de los
marcos de inercia) de la relatividad especial.