Diferencia entre revisiones de «Velocidad de la luz»

La '''velocidad de la luz''' en el [[vacío (física)|vacío]] es por definición una [[constante física|constante universal]] de valor '''299.792.458 m/s'''<ref name="Fundamental Physical Constants">

De acuerdo con la [[física]] moderna estándar, toda [[radiación electromagnética]] (incluida la [[espectro visible|luz visible]]) se propaga o mueve a una velocidad constante en el vacío, conocida comúnmente como velocidad de la luz, que es una [[constante física]] denotada como ''c''. Esta velocidad ''c'' es también la velocidad de la propagación de la [[gravedad]] en la [[Relatividad general|Teoría general de la relatividad]].

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 [[sistema de referencia|marco de referencia]] del observador o 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 velocidad ''c'', en vez de la luz en sí misma, lo cual es fundamental para la [[teoría de la relatividad especial|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.

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 C o en el que C precede a A. Confinando una manera de viajar [[superlumínico|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.

El valor de ''c'' define la [[permitividad|permitividad eléctrica]] del vacío (<math>\varepsilon_0</math>) en unidades del [[Sistema Internacional de Unidades|SIU]] como:

En [[1967]] la XIII [[Conferencia General de Pesos y Medidas]] definió al segundo del [[tiempo Atómico Internacional|tiempo atómico]] como la duración de 9.192.631.770&nbsp;períodos de radiación correspondiente a la transición entre dos [[transiciónestructura hiperfina|niveles hiperfinos]] del [[estado estacionario (mecánica cuántica)|estado fundamental]] del [[átomo]] [[cesio]]-133, que en la actualidad sigue siendo la definición del segundo.

La velocidad de la luz es de gran importancia para las [[telecomunicación|telecomunicaciones]]. Por ejemplo, dado que el perímetro de la [[Tierra]] es de 40.075 [[kilómetro|km]] (en la [[ecuador terrestre|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&nbsp;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 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]], un retardo típico de recepción de señales desde [[Australia]] o [[Japón]] hacia los [[Estados Unidos|EE.UU.]] fue de 0,18&nbsp;s. Adicionalmente, la velocidad de la luz afecta el diseño de las comunicaciones [[comunicación inalámbricainalámbrico|inalámbricas]].

La velocidad de la luz finita se hizo aparente a todo el mundo, en el control de comunicaciones entre el [[Control Terrestre]] de [[Houston]] y [[Neil Armstrong]] cuando éste se [[apoloApollo 11XI|convirtió en el primer hombre]] que puso un pie sobre la [[Luna]]: después de cada pregunta, Houston tenía que esperar cerca de 3&nbsp;s para el regreso de una respuesta aun cuando los astronautas respondían inmediatamente.

La velocidad de la luz también puede tener influencia en distancias cortas. En los [[supercomputadora|superordenadoressuperordenador]]es la velocidad de la luz impone un límite de velocidad a la que pueden ser enviados los datos entre procesadores. Si un procesador opera a 1 [[gigahercio|GHz]], la señal sólo puede viajar a un máximo de 300&nbsp;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 velocidad de la luz finalmente se convertirá en un factor límite para el diseño interno de [[circuito integrado|chips]] individuales.

La ecuación anterior fue derivada por Einstein de su teoría de [[teoría de la relatividad especial|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 [[sistemamarco de referencia|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 [[teoría de la relatividad especial|relatividad especial]], que incluyen la anterior fórmula auto-intuitiva.

{{WP Divulgación marca|Aquí no explica la razón las diferentes frecuencias viajan a diferentes velocidades}}A escala microscópica, considerando la radiación electromagnética como una partícula, la refracción es causada por una absorción continua y re-emisión de los [[fotón|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 [[electrón|electrones]]) interfieren con los campos eléctricos y electromagnéticos de la radiación, retardando su progreso.

En algunas interpretaciones de la mecánica cuántica, los efectos cuánticos pueden ser retransmitidos a velocidades mayores a ''c'' (de hecho, la [[acción a distancia]] se ha percibido largamente como un problema con la mecánica cuántica: ver [[paradoja EPR]]). Por ejemplo, los [[estado cuántico|estados cuánticos]] de dos partículas pueden ser enlazados, de manera que el estado de una partícula arregle el estado de otra partícula (diciéndolo de otra manera, uno debe tener un [[rotación|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 es determinado 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]].

Aunque puede sonar paradójico, es posible que las [[onda expansiva|ondas expansivas]] se hayan formado con la radiación electromagnética. Ya que una partícula cargada 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 [[polarización|polarizadospolarizado]]s 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 (material)|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 más rápida que los mismos fotones, los fotones interferirán constructivamente e intensificaran la radiación observada. El resultado (análogo a una [[explosión sónica]]) es conocido como [[radiación deefecto Cherenkov|radiación Cherenkov]].

La habilidad de comunicarse o viajar [[superlumínico|más rápido que la luz]] es un tema popular en la ciencia ficción. Se han propuesto partículas que viajan más rápido que la luz, [[taquión|taquiones]] doblados por la [[física de partículas]], pero aún no se ha podido observarlas.

Algunos físicos (entre ellos [[Joao Magueijo|João Magueijo]] y [[John Moffat]]) han propuesto que en el pasado la luz viajaba mucho más rápido que la actual velocidad de la luz. Esta teoría es llamada [[velocidad de la luz variable]] y sus proponentes claman que este fenómeno tiene la habilidad de explicar muchos rompecabezas [[cosmología|cosmológicos]] de mejor manera que su teoría rival, el [[inflación cósmica|modelo inflacionario del universo]]. Sin embargo, todavía no ha ganado suficiente aceptación.

En [[1629]] [[Isaac Beeckman]], un amigo de [[René Descartes]], propuso un experimento en el que se pudiese observar el flash de un [[cañón (artillería)|cañón]] reflejándose en un [[espejo]] ubicado a 1,6&nbsp;km del primero. En [[1638]], [[Galileo Galilei|Galileo]] propuso un experimento, para medir la velocidad de la luz al observar la percepción del retraso entre el lapso de destapar una [[linterna eléctrica|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 velocidad 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&nbsp;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, tan sólo que dicha velocidad debía ser muy grande.

En [[1676]] [[Ole Rømer]] realizó el primer estimado cuantitativo de la velocidad de la luz, estudiando el movimiento del satélite [[Ío (satéliteluna)|Ío]] de [[Júpiter (planeta)|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&nbsp;h cuando la Tierra esta más cerca de Júpiter. También observó que, como la [[Tierra]] y Júpiter se 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 velocidad de ésta. Un año 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&nbsp;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&nbsp;min y 40&nbsp;s.

Alrededor de la misma época, la unidad astronómica se estimaba en cerca de 140&nbsp;millones de km. La unidad astronómica y la estimación del tiempo de Rømer fueron combinados por [[Christiaan Huygens|Christian Huygens]], quien consideró que la velocidad de la luz era cercana a 1000&nbsp;diámetros de la Tierra por minuto, es decir, unos 220.000&nbsp;km/s, muy por debajo del valor actualmente aceptado, pero mucho más rápido que cualquier otro fenómeno físico entonces conocido.

Aunque por medio de estas observaciones, la velocidad finita de la luz no fue establecida para la satisfacción de todos (notablemente [[Giovanni Cassini|Jean-Dominique Cassini]]), después de las observaciones de [[James Bradley]] (1728), la hipótesis de velocidad infinita se consideró totalmente desacreditada.

Bradley calculó la velocidad de la luz en alrededor de 298.000&nbsp;km/s. Esto es solamente un poco menos que el valor actualmente aceptado. El efecto de aberración fue estudiado extensivamente en los siglos posteriores, notablemente por [[Friedrich Georg Wilhelm von Struve|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 y Foucault|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&nbsp;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&nbsp;km/s. El método de Foucault también fue usado por [[Simon Newcomb]] y [[Albert Abraham Michelson|Albert Michelson]], quien comenzó su larga carrera replicando y mejorando este método.

En [[1887]], los físicos [[Albert Abraham Michelson|Albert Michelson]] y [[Edward Morley]] realizaron el influyente [[experimento de Michelson y Morley|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 [[monocromomonocromático|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 [[espejo]]s 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.

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 la Relatividad|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 la [[causalidad]] y la [[equivalencia de los marcos de inercia]]) de la relatividad especial.

*[[Superlumínico|Más rápido que la luz]]