Velocidad de la luz

Velocidad de la luz y la observación del pasado

En la antigüedad, los filósofos griegos, hindúes y árabes diferían en sus creencias acerca de si la luz viajaba a velocidad finita o si tenía una rapidez infinita (Empédocles, Aristóteles).

Más recientemente, Johannes Kepler (1571 - 1630), Francis Bacon (1561 - 1626), Descartes (1596 - 1650) y muchos otros filósofos y matemáticos argumentaron a favor de que la luz viajaba a velocidad infinita.

La medición de la velocidad del sonido (340 m/seg) es relativamente sencilla para un investigador que disponga de los medios adecuados para conseguirlo. En cambio, la luz viaja en el vacío a 300.000 km/seg, casi un millón de veces más rápido que el sonido. Es tremendamente difícil efectuar esta medición y la mayor parte de los primeros experimentos para intentar medir la velocidad de la luz fracasaron.

El primero que descubrió experimentalmente que la luz viaja a gran velocidad, pero no a una velocidad infinita, fue el astrónomo danés, Ole Christensen Rømer (1644 - 1710), en el año 1676. Observando y midiendo los tiempos de los eclipses de la luna Io de Júpiter, la que está más cerca del planeta que las otras tres conocidas en ese tiempo, descubrió que los tiempos entre dos ocultaciones del satélite, aumentaban cuando Júpiter estaba a mayor distancia de la Tierra.

Júpiter y 4 lunas

Supuso, y supuso bien, que Io no cambiaba su velocidad de traslación por el hecho de que Júpiter estuviera más lejos. Entonces, la diferencia de tiempo sólo podía deberse a que la luz tardaba más en llegar a la Tierra cuando Júpiter estaba más lejos. Este fue un descubrimiento que hace a Ole Romer acreedor del agradecimiento de la humanidad. Desde entonces ya sabemos con certeza que la luz tiene una velocidad limitada.

Aunque Romer no calculó la velocidad de la luz, dejó el camino preparado para que uno de sus discípulos emprendiera el trabajo de calcularla. Este encontró que la luz viajaba a 225.000 km/seg. En realidad la cifra es de 300.000 km/seg, pero no por eso el cálculo deja de tener un enorme mérito.

En 1728, la comunidad científica aceptó definitivamente que la velocidad de la luz es muy grande, pero finita, cuando el astrónomo inglés James Bradley (1693 - 1792) mediante comparaciones de la velocidad de la Tierra en su órbita, dedujo que la velocidad de la luz era de 298.000 km/seg,

Un siglo más tarde, en el año 1849, Hyppolite Fizeau (1819 - 1896), llevó a cabo un experimento que era conceptualmente similar a otro propuesto por Galileo. El resultado encontrado fue que la velocidad de la luz es de 313.000 km/s. Poco después, en 1862, el físico francés Leon Foucault (1819 - 1868) introdujo mejoras en el método de Fizeau y encontró un valor estimado de 298.000 km/seg.

El método de Foucault también fue usado por Simon Newcomb y Albert Michelson, Este último comenzó su larga carrera científica 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 dieron como resultado una velocidad de 299.796 km/seg.

James Clark Maxwell (1831 - 1879) fue un físico escocés dotado de una de las mentes matemáticas más preclaras de todos los tiempos. Su contribución a la ciencia es comparable a las de Isaac Newton, de Max Planck y de Albert Einstein.

En el año 1865, Maxwell formuló cuatro ecuaciones que de forma sencilla y elegante resumen y completan las leyes que Gauss, Faraday y Ampère habían establecido para el estudio del magnetismo y de la electricidad. Las ecuaciones de Maxwell establecen uno de los hitos más importantes de la historia.

Utilizando sus ecuaciones, Maxwell predijo la existencia de "ondas electromagnéticas" y avanzó la idea de que la luz era simplemente una onda electromagnética que se propaga a través del éter.

Lo más interesante, en lo que ahora nos ocupa, es que, trabajando con sus ecuaciones, Maxwell dedujo que la luz se propaga a una velocidad de 300.000 km/seg. Esto es una demostración más de la enorme capacidad que tienen los modelos matemáticos para predecir los comportamientos de la materia, incluso sin necesidad de la observación experimental. La observación confirmó posteriormente esta genial deducción.

Maxwell
James Clark Maxwell

Desde el 21 de octubre de 1983, la velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal y su valor está establecido en 299.792.458 m/seg. De ordinario se utiliza el valor aproximado de 300.000.000 m/seg y 300.000 km/seg. Se simboliza con la letra c (del latín celerites, celeridad o rapidez), y también es conocida como la constante de Einstein.

Los nombres de Albert Michelson y Edward Morley están ligados a uno de los experimentos más famosos de la física, el realizado en 1887 y que demostró que la velocidad de la luz es constante y que no necesita que exista en el espacio un elemento (el éter) para su propagación.

Michelson y Morley

Gracias al experimento de Michelson-Morley se descubrió que la realidad de la velocidad de la luz es distinta a lo que sugiere el "sentido común".

Veaamos un ejemplo del concepto de velocidad en la física tradicional. "El conductor de un coche que va a 100 km/hora, ve acercarse otro coche que viene por el carril contrario a 80 km/hora". Pregunta: ¿cuál es la velocidad que perciben ambos conductores con respecto a la del coche contrario? Respuesta correcta: cada uno de ellos percibe que el otro coche va a 180 Km/hora.

Segundo ejemplo: "El conductor de un coche que va a 80 km/hora, ve pasar a su lado otro coche que viene a 100 km/hora". Pregunta: ¿cuál es la velocidad que perciben ambos conductores con respecto a la del coche contrario? Respuesta correcta: cada uno de ellos percibe que el otro coche va a 20 Km/hora.

Pues bien, el experimento de Michelson-Morley demostró que la luz llega al observador terrestre con la misma rapidez, cualquiera que sea la dirección de donde proceda, independientemente del movimiento de traslación de la Tierra. Podría esperarse que cuando la Tierra se mueve contra la luz que viene, la velocidad detectada sería mayor que cuando la luz persigue a la Tierra. Esta suposición tan de "sentido común" no se cumple. El experimento de Michelson y Morley confirmó que la velocidad de la luz en el vacío es constante.

En el año 1905, Albert Einstein (1879 - 1955) publicó su teoría de la relatividad especial.

El segundo de los dos postulados en los que se basa esta famosa teoría, expresa que "la velocidad de la luz en el vacío es la misma para todos los observadores, independientemente de la velocidad de los observadores o de la fuente luminosa. Esta velocidad es de 300.000 km/seg".

El modo intuitivo de medir la velocidad no funciona para la luz. Supongamos que un astronauta que viaja a 50.000 km/seg mide la velocidad de un rayo de luz que le llega de frente. El resultado de la medición será de 300.000 km/seg, no de 350.000 km/seg como suponemos todos los que usamos los cálculos que hacemos desde que así nos lo enseñó el genial Galileo Galilei.

Einstein
Einstein con dos amigos, en 1904

Es interesante recalcar el concepto de absoluto, que fue expresado por Einstein, para la velocidad de la luz. Que la velocidad de la luz sea constante, ya es de por sí extraordinario. Sin embargo, mucho más imprevisible es que diferentes observadores que se mueven unos con respecto a otros obtendrían todos los mismos resultados si midieran la velocidad de la luz.

Por tal motivo se dice que esa velocidad es un absoluto. Con respecto al tiempo, éste no transcurre de la misma manera para todos los observadores. Según la teoría de Newton el tiempo es un absoluto, el tiempo no es relativo. En cambio, en la teoría de Einstein, el tiempo es relativo y puede transcurrir de distinta forma para diferentes observadores,

Sabiendo que la velocidad de la luz es limitada, podemos reconstituir la historia de las estrellas de forma similar a como los antropólogos reconstruyen el pasado de la humanidad a partir de fósiles abandonados en las cavernas.

Los astrofísicos tienen una inmensa ventaja sobre los antropólogos: pueden ver directamente el pasado. .

La luz viaja muy rápido, a 300.000 kilómetros por segundo. Sabemos que tarda poco más de un segundo en llegarnos desde la Luna, ocho minutos en llegarnos desde el Sol, cuatro años en recorrer el camino desde Alfa Centauro la estrella más cercana, ocho años desde la estrella Vega y millones de años desde algunas galaxias.

Estrellas

Por lo tanto, cuando los nuevos telescopios permiten observar una galaxia que está  a 5.000 millones de años luz de distancia, la imagen que nos llega es la de la galaxia tal como se encontraba hace 5.000 millones de años. La imagen enfocada por el telescopio revela un momento ya pasado en la historia del universo. Al mirar la imagen, el ser humano está contemplando el pasado.

Si hubiera un gran espejo en una estrella situada a 1.000 años luz de la Tierra y si pudiéramos ver la Tierra reflejada en ese espejo, nos asombraría contemplar lo que sucedía en nuestro planeta hace 2.000 años.

El telescopio es una máquina para retroceder en el tiempo.

Al revés de los historiadores, que jamás podrán contemplar con sus ojos la Roma antigua, los astrofísicos verdaderamente pueden ver el pasado y observar los astros tal como fueron hace millones de años.

Vemos la nebulosa de Orión tal como era a fines del Imperio romano. Y la Nebulosa de Andrómeda, visible a simple vista, es una imagen que tiene dos millones de años.

Si hubiera habitantes en Andrómeda y contemplaran en este mismo instante a nuestro planeta, lo verían con el mismo desfase de tiempo. Descubrirían la Tierra de los primeros hombres, lo que había en nuestro planeta hace dos millones de años.

Nebulosa de Orión
Nebulosa de Orión

En sentido estricto, nunca se puede ver el estado presente del mundo. Cuando alguien mira a otra persona situada a medio metro de distancia, ve lo que había hace una pequeñísima fracción de segundo, el tiempo que la luz ha tardado en llegar al ojo. Resulta imperceptible para nuestra conciencia, los seres humanos no desaparecen en ese lapso y se puede suponer que la otra persona sigue estando allí.

Lo mismo ocurre con el Sol, pues se puede suponer que nada importante ha cambiado en el astro rey en los ocho minutos que emplea la luz en llegar a la Tierra. Algo similar sucede con las estrellas que están en nuestra galaxia (la Vía Láctea), pues están relativamente cerca.

Pero las cosas son muy diferentes con los astros lejanos que detectamos con poderosos telescopios. El cuásar que vemos a 12.000 millones de años luz de distancia, quizás ya no exista en la actualidad. El análisis de la luz que vemos, nos revela exactamente lo que había ahí hace 12.000 millones de años.

En el CERN, Javier Serrano y Pablo Álvarez (de Castellón) son los dos únicos españoles miembros del equipo de científicos que logró medir que los neutrinos viajan a una velocidad de 25 partes por millón por encima de la velocidad de la luz. Serrano y Álvarez son los diseñadores del sistema de sincronización del experimento (con una precisión entorno al nanosegundo (una milmillonésima de segundo). No cabe duda de que la confirmación de la veracidad de estos resultados tendrán una enorme incidencia en las teorías actuales de la física.

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