Velocidad de la luz

Velocidad de la luz

En promedio, la luz solar tarda 8  minutos y 17  segundos en viajar desde el Sol hasta la Tierra .
Valor exacto
metros por segundo	299 792 458
Valores aproximados (hasta tres dígitos significativos)
kilómetros por hora	1 080 000 000
millas por segundo	186 000
millas por hora [1]	671 000 000
unidades astronómicas por día	173 [Nota 1]
parsecs por año	0,307 [Nota 2]
Tiempos aproximados de recorrido de la señal luminosa
Distancia	Tiempo
un pie	1,0 ns
un metro	3,3 ns
De la órbita geoestacionaria a la Tierra	119 ms
la longitud del ecuador de la Tierra	134 ms
De la Luna a la Tierra	1,3 segundos
Del Sol a la Tierra (1  UA )	8,3 minutos
un año luz	1,0 año
un parsec	3,26 años
desde la estrella más cercana al Sol (1,3  piezas )	4,2 años
Desde la galaxia más cercana a la Tierra	70 000  años
a través de la Vía Láctea	87 400  años
De la galaxia de Andrómeda a la Tierra	2,5 millones de años

Relatividad especial
Principio de relatividad Teoría de la relatividad Formulaciones
Cimientos Los postulados de Einstein Marco de referencia inercial Velocidad de la luz Ecuaciones de Maxwell Transformación de Lorentz
Consecuencias Dilatación del tiempo Contracción de longitud Masa relativista Equivalencia masa-energía Relatividad de la simultaneidad Efecto Doppler relativista Precesión de Thomas Disco relativista La paradoja de la nave espacial de Bell Paradoja de Ehrenfest
Espacio-tiempo El espacio-tiempo de Minkowski Diagrama del espacio-tiempo Línea mundial Cono de luz
Dinámica Tiempo apropiado Masa propia Cuatro momentos
Historia Precursores Relatividad galileana Transformación galileana Teorías del éter
Gente Einstein Campo de verano Michelson Morley FitzGerald Herglotz Lorentz Poincaré Minkowski Fizeau Abrahán Nacido Planck de Laue Fiesta de los testigos Tolmán Dirac
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La velocidad de la luz en el vacío , comúnmente denominada c , es una constante física universal que es exactamente igual a 299.792.458 metros por segundo (aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo; 186.000 millas por segundo; 671 millones de millas por hora). ^{[Nota 3]} Según la teoría especial de la relatividad , c es el límite superior de la velocidad a la que la materia o energía convencional (y, por lo tanto, cualquier señal que transporte información ) puede viajar a través del espacio . ^{[4] [5] [6]}

Todas las formas de radiación electromagnética , incluida la luz visible , viajan a la velocidad de la luz. Para muchos propósitos prácticos, la luz y otras ondas electromagnéticas parecerán propagarse instantáneamente, pero para distancias largas y mediciones muy sensibles, su velocidad finita tiene efectos notables. Gran parte de la luz de las estrellas observada en la Tierra proviene del pasado distante, lo que permite a los humanos estudiar la historia del universo al observar objetos distantes. Al comunicarse con sondas espaciales distantes , las señales pueden tardar minutos u horas en viajar. En informática , la velocidad de la luz fija el retraso mínimo de comunicación definitivo . La velocidad de la luz se puede utilizar en mediciones de tiempo de vuelo para medir grandes distancias con una precisión extremadamente alta.

En 1676, Ole Rømer demostró por primera vez que la luz no viaja instantáneamente estudiando el movimiento aparente de la luna de Júpiter , Ío . En los siglos siguientes se realizaron mediciones cada vez más precisas de su velocidad. En un artículo publicado en 1865, James Clerk Maxwell propuso que la luz era una onda electromagnética y, por lo tanto, viajaba a una velocidad c . ^[7] En 1905, Albert Einstein postuló que la velocidad de la luz c con respecto a cualquier marco de referencia inercial es una constante e independiente del movimiento de la fuente de luz. ^[8] Exploró las consecuencias de ese postulado derivando la teoría de la relatividad y, al hacerlo, demostró que el parámetro c tenía relevancia fuera del contexto de la luz y el electromagnetismo.

Las partículas sin masa y las perturbaciones de campo , como las ondas gravitacionales , también viajan a velocidad c en el vacío. Dichas partículas y ondas viajan a c independientemente del movimiento de la fuente o del marco de referencia inercial del observador . Las partículas con masa en reposo distinta de cero pueden acelerarse para acercarse a c, pero nunca pueden alcanzarla, independientemente del marco de referencia en el que se mida su velocidad. En la teoría de la relatividad , c interrelaciona el espacio y el tiempo y aparece en la famosa equivalencia masa-energía , E = mc ² . ^[9]

En algunos casos, los objetos o las ondas pueden parecer viajar más rápido que la luz (por ejemplo, las velocidades de fase de las ondas, la aparición de ciertos objetos astronómicos de alta velocidad y determinados efectos cuánticos ). Se entiende que la expansión del universo supera la velocidad de la luz más allá de un cierto límite .

La velocidad a la que la luz se propaga a través de materiales transparentes , como el vidrio o el aire, es menor que c ; de manera similar, la velocidad de las ondas electromagnéticas en los cables de alambre es menor que c . La relación entre c y la velocidad v a la que viaja la luz en un material se denomina índice de refracción n del material ( n = ⁠do/en⁠ ). Por ejemplo, para la luz visible, el índice de refracción del vidrio suele rondar 1,5, lo que significa que la luz en el vidrio viaja a ⁠do/1.5≈ 200 000  km/s ( 124 000  mi/s) ; el índice de refracción del aire para la luz visible es de aproximadamente 1,0003 , por lo que la velocidad de la luz en el aire es aproximadamente 90 km/s (56 mi/s) más lenta que c .

La velocidad de la luz en el vacío se suele denotar con una c minúscula , que significa "constante" o del latín celeritas (que significa "rapidez, celeridad"). En 1856, Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch habían utilizado c para una constante diferente que más tarde se demostró que era igual a √ 2 veces la velocidad de la luz en el vacío. Históricamente, el símbolo V se utilizó como símbolo alternativo para la velocidad de la luz, introducido por James Clerk Maxwell en 1865. En 1894, Paul Drude redefinió c con su significado moderno. Einstein utilizó V en sus artículos originales en alemán sobre la relatividad especial en 1905, pero en 1907 cambió a c , que para entonces se había convertido en el símbolo estándar para la velocidad de la luz. ^{[10] [11]}

A veces se utiliza c para la velocidad de las ondas en cualquier medio material, y c ₀ para la velocidad de la luz en el vacío. ^[12] Esta notación con subíndices, que está respaldada en la literatura oficial del SI, ^[13] tiene la misma forma que las constantes electromagnéticas relacionadas: a saber, μ ₀ para la permeabilidad del vacío o constante magnética, ε ₀ para la permitividad del vacío o constante eléctrica, y Z ₀ para la impedancia del espacio libre . Este artículo utiliza c exclusivamente para la velocidad de la luz en el vacío.

Desde 1983, la constante c se define en el Sistema Internacional de Unidades (SI) exactamente como 299 792 458  m/s ; esta relación se utiliza para definir el metro como exactamente la distancia que recorre la luz en el vacío en 1 ⁄299 792 458 de unsegundo. Al utilizar el valor de c , así como una medición precisa delsegundo, se puede establecer un estándar para el metro.^[14]Comoconstante física dimensional, el valor numérico de c es diferente para diferentes sistemas de unidades. Por ejemplo, enunidades imperiales, la velocidad de la luz es aproximadamente186 282 millas por segundo, ^{[Nota 4]} o aproximadamente 1 pie por nanosegundo. ^{[Nota 5] [15] [16]}

En las ramas de la física en las que c aparece a menudo, como en la relatividad, es habitual utilizar sistemas de unidades de medida naturales o el sistema de unidades geometrizadas donde c = 1. ^{[17] [18]} Al utilizar estas unidades, c no aparece explícitamente porque la multiplicación o división por 1  no afecta al resultado. Su unidad de segundo luz por segundo sigue siendo relevante, incluso si se omite.

La velocidad a la que las ondas de luz se propagan en el vacío es independiente tanto del movimiento de la fuente de ondas como del marco de referencia inercial del observador. ^{[Nota 6]} Esta invariancia de la velocidad de la luz fue postulada por Einstein en 1905, ^[8] después de estar motivado por la teoría del electromagnetismo de Maxwell y la falta de evidencia de movimiento contra el éter luminífero . ^[19] Desde entonces ha sido confirmada consistentemente por muchos experimentos. ^{[Nota 7]} Solo es posible verificar experimentalmente que la velocidad bidireccional de la luz (por ejemplo, de una fuente a un espejo y viceversa) es independiente del marco, porque es imposible medir la velocidad unidireccional de la luz (por ejemplo, de una fuente a un detector distante) sin alguna convención sobre cómo deben sincronizarse los relojes en la fuente y en el detector. ^{[20] [21]}

Al adoptar la sincronización de Einstein para los relojes, la velocidad unidireccional de la luz se vuelve igual a la velocidad bidireccional de la luz por definición. ^{[20] [21]} La teoría especial de la relatividad explora las consecuencias de esta invariancia de c con el supuesto de que las leyes de la física son las mismas en todos los marcos de referencia inerciales. ^{[22] [23]} Una consecuencia es que c es la velocidad a la que todas las partículas y ondas sin masa, incluida la luz, deben viajar en el vacío. ^{[24] [Nota 8]}

La relatividad especial tiene muchas implicaciones contraintuitivas y verificadas experimentalmente. ^[26] Estas incluyen la equivalencia de masa y energía ( E = mc ² ) , contracción de la longitud (los objetos en movimiento se acortan), ^{[Nota 9]} y dilatación del tiempo (los relojes en movimiento funcionan más lentamente). El factor  γ por el cual las longitudes se contraen y los tiempos se dilatan se conoce como el factor de Lorentz y está dado por γ = (1 − v ² / c ² ) ^−1/2 , donde v es la velocidad del objeto. La diferencia de γ con respecto a  1 es insignificante para velocidades mucho más lentas que  c , como la mayoría de las velocidades cotidianas -en cuyo caso la relatividad especial se aproxima estrechamente a la relatividad galileana-  pero aumenta a velocidades relativistas y diverge hasta el infinito a medida que v se acerca a c . Por ejemplo, un factor de dilatación del tiempo de γ  = 2 ocurre a una velocidad relativa del 86,6 % de la velocidad de la luz ( v  = 0,866  c ). De manera similar, un factor de dilatación del tiempo de γ  = 10 ocurre al 99,5 % de la velocidad de la luz ( v  = 0,995  c ).

Los resultados de la relatividad especial se pueden resumir tratando el espacio y el tiempo como una estructura unificada conocida como espacio-tiempo (con  c relacionando las unidades de espacio y tiempo), y requiriendo que las teorías físicas satisfagan una simetría especial llamada invariancia de Lorentz , cuya formulación matemática contiene el parámetro  c . ^[29] La invariancia de Lorentz es un supuesto casi universal para las teorías físicas modernas, como la electrodinámica cuántica , la cromodinámica cuántica , el Modelo Estándar de física de partículas y la relatividad general . Como tal, el parámetro  c es omnipresente en la física moderna, apareciendo en muchos contextos que no están relacionados con la luz. Por ejemplo, la relatividad general predice que  c es también la velocidad de la gravedad y de las ondas gravitacionales , ^[30] y las observaciones de ondas gravitacionales han sido consistentes con esta predicción. ^[31] En marcos de referencia no inerciales (espacio-tiempo curvado gravitacionalmente o marcos de referencia acelerados ), la velocidad  local de la luz es constante e igual a c , pero la velocidad de la luz puede diferir de  c cuando se mide desde un marco de referencia remoto, dependiendo de cómo se extrapolen las mediciones a la región. ^[32]

En general, se supone que las constantes fundamentales como  c tienen el mismo valor en todo el espacio-tiempo, lo que significa que no dependen de la ubicación y no varían con el tiempo. Sin embargo, en varias teorías se ha sugerido que la velocidad de la luz puede haber cambiado con el tiempo . ^{[33] [34]} No se ha encontrado evidencia concluyente de tales cambios, pero siguen siendo objeto de investigación en curso. ^{[35] [36]}

En general, se supone que la velocidad bidireccional de la luz es isótropa , lo que significa que tiene el mismo valor independientemente de la dirección en la que se mida. Las observaciones de las emisiones de los niveles de energía nuclear en función de la orientación de los núcleos emisores en un campo magnético (véase el experimento de Hughes-Drever ) y de los resonadores ópticos giratorios (véase los experimentos con resonadores ) han puesto límites estrictos a la posible anisotropía bidireccional . ^{[37] [38]}

Según la relatividad especial, la energía de un objeto con masa en reposo m y velocidad v está dada por γmc ² , donde γ es el factor de Lorentz definido anteriormente. Cuando v es cero, γ es igual a uno, lo que da lugar a la famosa fórmula E = mc ² para la equivalencia masa-energía. El factor γ se acerca al infinito cuando v se acerca  a c , y se necesitaría una cantidad infinita de energía para acelerar un objeto con masa a la velocidad de la luz. La velocidad de la luz es el límite superior para las velocidades de los objetos con masa en reposo positiva, y los fotones individuales no pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz. ^[39] Esto se establece experimentalmente en muchas pruebas de energía y momento relativistas . ^[40]

En términos más generales, es imposible que las señales o la energía viajen más rápido que  c . Un argumento para esto se desprende de la implicación contraintuitiva de la relatividad especial conocida como la relatividad de la simultaneidad . Si la distancia espacial entre dos eventos A y B es mayor que el intervalo de tiempo entre ellos multiplicado por  c, entonces hay marcos de referencia en los que A precede a B, otros en los que B precede a A y otros en los que son simultáneos. Como resultado, si algo viajara más rápido que  c en relación con un marco de referencia inercial, estaría viajando hacia atrás en el tiempo en relación con otro marco, y se violaría la causalidad . ^{[Nota 10] [43]} En un marco de referencia de este tipo, se podría observar un "efecto" antes de su "causa". Tal violación de la causalidad nunca se ha registrado, ^[21] y conduciría a paradojas como la del antiteléfono taquiónico . ^[44]

Existen situaciones en las que puede parecer que la materia, la energía o la señal portadora de información viajan a velocidades superiores a  c , pero no es así. Por ejemplo, como se analiza en la sección sobre la propagación de la luz en un medio que aparece más adelante, muchas velocidades de onda pueden superar  c . La velocidad de fase de los rayos X a través de la mayoría de los vidrios puede superar habitualmente c , ^[45] pero la velocidad de fase no determina la velocidad a la que las ondas transmiten la información. ^[46]

Si un rayo láser se desplaza rápidamente sobre un objeto distante, el punto de luz puede moverse más rápido que  c , aunque el movimiento inicial del punto se retrasa debido al tiempo que tarda la luz en llegar al objeto distante a la velocidad  c . Sin embargo, las únicas entidades físicas que se mueven son el láser y la luz emitida por él, que viaja a la velocidad  c desde el láser hasta las distintas posiciones del punto. De manera similar, una sombra proyectada sobre un objeto distante puede moverse más rápido que  c , después de un retraso en el tiempo. ^[47] En ninguno de los casos la materia, la energía o la información viajan más rápido que la luz. ^[48]

La tasa de cambio en la distancia entre dos objetos en un marco de referencia con respecto al cual ambos se mueven (su velocidad de cierre ) puede tener un valor superior a  c . Sin embargo, esto no representa la velocidad de ningún objeto individual medido en un único marco inercial. ^[48]

Ciertos efectos cuánticos parecen transmitirse instantáneamente y, por lo tanto, más rápido que c , como en la paradoja EPR . Un ejemplo involucra los estados cuánticos de dos partículas que pueden estar entrelazadas . Hasta que se observe cualquiera de las partículas, existen en una superposición de dos estados cuánticos. Si las partículas están separadas y se observa el estado cuántico de una partícula, el estado cuántico de la otra partícula se determina instantáneamente. Sin embargo, es imposible controlar qué estado cuántico adoptará la primera partícula cuando se la observa, por lo que la información no se puede transmitir de esta manera. ^{[48] [49]}

Otro efecto cuántico que predice la ocurrencia de velocidades superiores a la de la luz se denomina efecto Hartman : en determinadas condiciones, el tiempo que necesita una partícula virtual para atravesar una barrera es constante, independientemente del espesor de la misma. ^{[50] [51]} Esto podría dar como resultado que una partícula virtual cruce un gran espacio más rápido que la luz. Sin embargo, no se puede enviar información utilizando este efecto. ^[52]

El llamado movimiento superlumínico se observa en ciertos objetos astronómicos, ^[53] como los chorros relativistas de las radiogalaxias y los cuásares . Sin embargo, estos chorros no se mueven a velocidades superiores a la de la luz: el aparente movimiento superlumínico es un efecto de proyección causado por objetos que se mueven cerca de la velocidad de la luz y se aproximan a la Tierra en un ángulo pequeño con respecto a la línea de visión: como la luz que se emitió cuando el chorro estaba más lejos tardó más en llegar a la Tierra, el tiempo entre dos observaciones sucesivas corresponde a un tiempo más largo entre los instantes en que se emitieron los rayos de luz. ^[54]

Un experimento de 2011 en el que se observó que los neutrinos viajaban más rápido que la luz resultó deberse a un error experimental. ^{[55] [56]}

En los modelos del universo en expansión , cuanto más alejadas están las galaxias entre sí, más rápido se alejan. Por ejemplo, se infiere que las galaxias alejadas de la Tierra se alejan de ella a velocidades proporcionales a sus distancias. Más allá de un límite llamado esfera de Hubble , la velocidad a la que aumenta su distancia de la Tierra se vuelve mayor que la velocidad de la luz. ^[57] Estas tasas de recesión, definidas como el aumento de la distancia propia por tiempo cosmológico , no son velocidades en un sentido relativista. Las velocidades de recesión cosmológica más rápidas que la luz son solo un artefacto de coordenadas .

En física clásica , la luz se describe como un tipo de onda electromagnética . El comportamiento clásico del campo electromagnético se describe mediante las ecuaciones de Maxwell , que predicen que la velocidad  c con la que se propagan las ondas electromagnéticas (como la luz) en el vacío está relacionada con la capacitancia e inductancia distribuidas del vacío, también conocidas respectivamente como la constante eléctrica ε ₀ y la constante magnética μ ₀ , mediante la ecuación ^[58]

${\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _ {0}\mu _ {0}}}}.}$

En la física cuántica moderna , el campo electromagnético se describe mediante la teoría de la electrodinámica cuántica (EDQ). En esta teoría, la luz se describe mediante las excitaciones fundamentales (o cuantos) del campo electromagnético, llamadas fotones . En la EQQ, los fotones son partículas sin masa y, por lo tanto, según la relatividad especial, viajan a la velocidad de la luz en el vacío. ^[24]

Se han considerado extensiones de la QED en las que el fotón tiene una masa. En tal teoría, su velocidad dependería de su frecuencia, y la velocidad invariante  c de la relatividad especial sería entonces el límite superior de la velocidad de la luz en el vacío. ^[32] No se ha observado variación de la velocidad de la luz con la frecuencia en pruebas rigurosas, lo que pone límites estrictos a la masa del fotón. ^[59] El límite obtenido depende del modelo utilizado: si el fotón masivo se describe mediante la teoría de Proca , ^[60] el límite superior experimental para su masa es de aproximadamente 10 ⁻⁵⁷ gramos ; ^[61] si la masa del fotón se genera mediante un mecanismo de Higgs , el límite superior experimental es menos agudo, m ≤10 ⁻¹⁴  eV/ c ²   (aproximadamente 2 × 10 ⁻⁴⁷  g). ^[60]

Otra razón para que la velocidad de la luz varíe con su frecuencia sería el fracaso de la relatividad especial para aplicarse a escalas arbitrariamente pequeñas, como predicen algunas teorías propuestas de gravedad cuántica . En 2009, la observación del estallido de rayos gamma GRB 090510 no encontró evidencia de una dependencia de la velocidad del fotón con la energía, lo que apoya restricciones estrictas en modelos específicos de cuantificación del espacio-tiempo sobre cómo esta velocidad se ve afectada por la energía del fotón para energías que se acercan a la escala de Planck . ^[62]

En un medio, la luz no suele propagarse a una velocidad igual a c ; además, los distintos tipos de ondas de luz viajarán a distintas velocidades. La velocidad a la que se propagan las crestas y valles individuales de una onda plana (una onda que llena todo el espacio, con una sola frecuencia ) se denomina velocidad de fase  v _p . Una señal física con una extensión finita (un pulso de luz) viaja a una velocidad diferente. La envolvente general del pulso viaja a la velocidad de grupo  v _g , y su parte más temprana viaja a la velocidad frontal  v _f . ^[63]

La velocidad de fase es importante para determinar cómo viaja una onda de luz a través de un material o de un material a otro. A menudo se representa en términos de un índice de refracción . El índice de refracción de un material se define como la relación entre c y la velocidad de fase  v _p en el material: los índices de refracción más altos indican velocidades más bajas. El índice de refracción de un material puede depender de la frecuencia, intensidad, polarización o dirección de propagación de la luz; sin embargo, en muchos casos, puede tratarse como una constante dependiente del material. El índice de refracción del aire es aproximadamente 1,0003. ^[64] Los medios más densos, como el agua , ^[65] el vidrio , ^[66] y el diamante , ^[67] tienen índices de refracción de alrededor de 1,3, 1,5 y 2,4, respectivamente, para la luz visible.

En materiales exóticos como los condensados ​​de Bose-Einstein cerca del cero absoluto, la velocidad efectiva de la luz puede ser de sólo unos pocos metros por segundo. Sin embargo, esto representa un retraso de absorción y re-radiación entre átomos, como lo son todas las velocidades más lentas que c en las sustancias materiales. Como un ejemplo extremo de la luz "ralentizada" en la materia, dos equipos independientes de físicos afirmaron haber logrado que la luz se "detuviera por completo" haciéndola pasar a través de un condensado de Bose-Einstein del elemento rubidio . La descripción popular de la luz "detenida" en estos experimentos se refiere sólo a la luz que se almacena en los estados excitados de los átomos, y luego se vuelve a emitir en un momento arbitrario posterior, estimulada por un segundo pulso láser. Durante el tiempo en que se había "detenido", había dejado de ser luz. Este tipo de comportamiento es generalmente cierto a nivel microscópico en todos los medios transparentes que "ralentizan" la velocidad de la luz. ^[68]

En los materiales transparentes, el índice de refracción es generalmente mayor que 1, lo que significa que la velocidad de fase es menor que c . En otros materiales, es posible que el índice de refracción sea menor que  1 para algunas frecuencias; en algunos materiales exóticos es incluso posible que el índice de refracción sea negativo. ^[69] El requisito de que no se viole la causalidad implica que las partes real e imaginaria de la constante dieléctrica de cualquier material, correspondientes respectivamente al índice de refracción y al coeficiente de atenuación , están vinculadas por las relaciones de Kramers-Kronig . ^{[70] [71]} En términos prácticos, esto significa que en un material con un índice de refracción menor que 1, la onda será absorbida rápidamente. ^[72]

Un pulso con diferentes velocidades de grupo y fase (lo que ocurre si la velocidad de fase no es la misma para todas las frecuencias del pulso) se difumina con el tiempo, un proceso conocido como dispersión . Ciertos materiales tienen una velocidad de grupo excepcionalmente baja (o incluso cero) para las ondas de luz, un fenómeno llamado luz lenta . ^[73] Lo opuesto, velocidades de grupo superiores a c , se propuso teóricamente en 1993 y se logró experimentalmente en 2000. ^[74] Incluso debería ser posible que la velocidad de grupo se volviera infinita o negativa, con pulsos que viajan instantáneamente o hacia atrás en el tiempo. ^[63]

Ninguna de estas opciones permite transmitir información a una velocidad superior a c . Es imposible transmitir información con un pulso de luz a una velocidad superior a la de la primera parte del pulso (la velocidad frontal). Se puede demostrar que esta es (bajo ciertas suposiciones) siempre igual a c . ^[63]

Es posible que una partícula viaje a través de un medio más rápido que la velocidad de fase de la luz en ese medio (pero aún más lento que c ). Cuando una partícula cargada hace eso en un material dieléctrico , se emite el equivalente electromagnético de una onda de choque , conocida como radiación Cherenkov . ^[75]

La velocidad de la luz es importante para las telecomunicaciones : el tiempo de retardo en el trayecto de ida y vuelta es mayor que cero. Esto se aplica desde escalas pequeñas hasta astronómicas. Por otro lado, algunas técnicas dependen de la velocidad finita de la luz, por ejemplo, en las mediciones de distancias.

En las computadoras , la velocidad de la luz impone un límite a la rapidez con la que se pueden enviar datos entre procesadores . Si un procesador opera a 1 gigahercio , una señal puede viajar solo un máximo de aproximadamente 30 centímetros (1 pie) en un solo ciclo de reloj; en la práctica, esta distancia es incluso más corta ya que la placa de circuito impreso refracta y ralentiza las señales. Por lo tanto, los procesadores deben colocarse cerca unos de otros, así como los chips de memoria , para minimizar las latencias de comunicación, y se debe tener cuidado al enrutar los cables entre ellos para garantizar la integridad de la señal . Si las frecuencias de reloj continúan aumentando, la velocidad de la luz puede eventualmente convertirse en un factor limitante para el diseño interno de chips individuales . ^{[76] [77]} 

Dado que la circunferencia ecuatorial de la Tierra es de aproximadamente40 075  km y eso que c es aproximadamente300 000  km/s , el tiempo teórico más corto para que un fragmento de información recorra la mitad del globo a lo largo de la superficie es de unos 67 milisegundos. Cuando la luz viaja en fibra óptica (un material transparente ), el tiempo de tránsito real es mayor, en parte porque la velocidad de la luz es aproximadamente un 35% más lenta en la fibra óptica, dependiendo de su índice de refracción n . ^{[Nota 11]} Las líneas rectas son raras en las comunicaciones globales y el tiempo de viaje aumenta cuando las señales pasan a través de interruptores electrónicos o regeneradores de señales. ^[79]

Aunque esta distancia es en gran medida irrelevante para la mayoría de las aplicaciones, la latencia se vuelve importante en campos como el comercio de alta frecuencia , donde los operadores buscan obtener pequeñas ventajas al entregar sus transacciones a las bolsas fracciones de segundo antes que otros operadores. Por ejemplo, los operadores han estado cambiando a comunicaciones de microondas entre centros comerciales, debido a la ventaja que tienen las ondas de radio que viajan a una velocidad cercana a la de la luz a través del aire sobre las señales de fibra óptica comparativamente más lentas . ^{[80] [81]}

De manera similar, las comunicaciones entre la Tierra y las naves espaciales no son instantáneas. Existe un breve retraso entre la fuente y el receptor, que se hace más notorio a medida que aumentan las distancias. Este retraso fue significativo para las comunicaciones entre el control terrestre y el Apolo 8 cuando se convirtió en la primera nave espacial tripulada en orbitar la Luna : para cada pregunta, la estación de control terrestre tuvo que esperar al menos tres segundos para que llegara la respuesta. ^[82]

El retraso en las comunicaciones entre la Tierra y Marte puede variar entre cinco y veinte minutos, dependiendo de las posiciones relativas de los dos planetas. Como consecuencia de ello, si un robot en la superficie de Marte tuviera un problema, sus controladores humanos no se darían cuenta hasta aproximadamente entre cuatro y veinticuatro minutos después. A partir de entonces, las órdenes tardarían otros cuatro o veinticuatro minutos en llegar desde la Tierra a Marte. ^{[83] [84]}

Recibir luz y otras señales de fuentes astronómicas distantes lleva mucho más tiempo. Por ejemplo, se necesitan 13 mil millones (13 × 10⁹ ) años para que la luz viaje a la Tierra desde las galaxias lejanas vistas en las imágenes del Campo Ultraprofundo del Hubble . ^{[85] [86]} Esas fotografías, tomadas hoy, capturan imágenes de las galaxias tal como aparecían hace 13 mil millones de años, cuando el universo tenía menos de mil millones de años. ^[85] El hecho de que los objetos más distantes parezcan ser más jóvenes, debido a la velocidad finita de la luz, permite a los astrónomos inferir la evolución de las estrellas , de las galaxias y del universo mismo. ^[87]

Las distancias astronómicas a veces se expresan en años luz , especialmente en publicaciones y medios de divulgación científica . ^[88] Un año luz es la distancia que recorre la luz en un año juliano , alrededor de 9461 mil millones de kilómetros, 5879 mil millones de millas o 0,3066 parsecs . En cifras redondas, un año luz son casi 10 billones de kilómetros o casi 6 billones de millas. Próxima Centauri , la estrella más cercana a la Tierra después del Sol, está a unos 4,2 años luz de distancia. ^[89]

Los sistemas de radar miden la distancia a un objetivo por el tiempo que tarda un pulso de onda de radio en regresar a la antena del radar después de ser reflejado por el objetivo: la distancia al objetivo es la mitad del tiempo de tránsito de ida y vuelta multiplicado por la velocidad de la luz. Un receptor del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) mide su distancia a los satélites GPS basándose en el tiempo que tarda una señal de radio en llegar desde cada satélite, y a partir de estas distancias calcula la posición del receptor. Debido a que la luz viaja aproximadamente300 000  kilómetros (186 000  mi ) en un segundo, estas mediciones de pequeñas fracciones de segundo deben ser muy precisas. El experimento Lunar Laser Ranging , la astronomía de radar y la Deep Space Network determinan distancias a la Luna, ^[90] planetas ^[91] y naves espaciales, ^[92] respectivamente, midiendo los tiempos de tránsito de ida y vuelta.

Existen diferentes formas de determinar el valor de c . Una de ellas es medir la velocidad real a la que se propagan las ondas de luz, lo que se puede hacer en diversas configuraciones astronómicas y terrestres. También es posible determinar c a partir de otras leyes físicas en las que aparece, por ejemplo, determinando los valores de las constantes electromagnéticas ε ₀ y μ ₀ y utilizando su relación con c . Históricamente, los resultados más precisos se han obtenido determinando por separado la frecuencia y la longitud de onda de un haz de luz, con su producto igual a c . Esto se describe con más detalle en la sección "Interferometría" a continuación.

En 1983 se definió el metro como "la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1 ⁄299 792 458 de segundo",^[93]fijando el valor de la velocidad de la luz en299 792 458  m/s por definición, como se describe a continuación. En consecuencia, las mediciones precisas de la velocidad de la luz dan como resultado una determinación precisa del metro en lugar de un valor preciso de c .

El espacio exterior es un entorno conveniente para medir la velocidad de la luz debido a su gran escala y al vacío casi perfecto . Normalmente, se mide el tiempo que necesita la luz para recorrer una distancia de referencia en el Sistema Solar , como el radio de la órbita de la Tierra. Históricamente, estas mediciones se podían realizar con bastante precisión, en comparación con la precisión con la que se conoce la longitud de la distancia de referencia en unidades terrestres.

Ole Christensen Rømer utilizó una medición astronómica para hacer la primera estimación cuantitativa de la velocidad de la luz en el año 1676. ^{[94] [95]} Cuando se miden desde la Tierra, los períodos de las lunas que orbitan un planeta distante son más cortos cuando la Tierra se acerca al planeta que cuando la Tierra se aleja de él. La diferencia es pequeña, pero el tiempo acumulado se vuelve significativo cuando se mide a lo largo de meses. La distancia recorrida por la luz desde el planeta (o su luna) hasta la Tierra es más corta cuando la Tierra está en el punto de su órbita más cercano a su planeta que cuando la Tierra está en el punto más alejado de su órbita, siendo la diferencia en la distancia el diámetro de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. El cambio observado en el período orbital de la luna es causado por la diferencia en el tiempo que tarda la luz en atravesar la distancia más corta o más larga. Rømer observó este efecto para la luna principal más interna de Júpiter, Ío , y dedujo que la luz tarda 22 minutos en cruzar el diámetro de la órbita de la Tierra. ^[94]

Otro método consiste en utilizar la aberración de la luz , descubierta y explicada por James Bradley en el siglo XVIII. ^[96] Este efecto resulta de la suma vectorial de la velocidad de la luz que llega desde una fuente distante (como una estrella) y la velocidad de su observador (véase el diagrama de la derecha). Un observador en movimiento ve así la luz que viene de una dirección ligeramente diferente y, en consecuencia, ve la fuente en una posición desplazada respecto de su posición original. Dado que la dirección de la velocidad de la Tierra cambia continuamente a medida que la Tierra orbita alrededor del Sol, este efecto hace que la posición aparente de las estrellas se mueva. A partir de la diferencia angular en la posición de las estrellas (máximo 20,5 segundos de arco ) ^[97] es posible expresar la velocidad de la luz en términos de la velocidad de la Tierra alrededor del Sol, que con la duración conocida de un año se puede convertir en el tiempo necesario para viajar del Sol a la Tierra. En 1729, Bradley utilizó este método para derivar que la luz viajaba10 210 veces más rápido que la Tierra en su órbita (la cifra moderna es10 066 veces más rápido) o, equivalentemente, que la luz tardaría 8 minutos y 12 segundos en viajar desde el Sol a la Tierra. ^[96]

Una unidad astronómica (UA) es aproximadamente la distancia promedio entre la Tierra y el Sol. Fue redefinida en 2012 como exactamente149 597 870 700  m . ^{[98] [99]} Anteriormente la UA no se basaba en el Sistema Internacional de Unidades sino en términos de la fuerza gravitacional ejercida por el Sol en el marco de la mecánica clásica. ^{[Nota 12]} La definición actual utiliza el valor recomendado en metros para la definición anterior de la unidad astronómica, que se determinaba mediante medición. ^[98] Esta redefinición es análoga a la del metro y asimismo tiene el efecto de fijar la velocidad de la luz a un valor exacto en unidades astronómicas por segundo (a través de la velocidad exacta de la luz en metros por segundo). ^[101]

Anteriormente, la inversa de  c expresada en segundos por unidad astronómica se medía comparando el tiempo que tardaban las señales de radio en llegar a diferentes naves espaciales en el Sistema Solar, con su posición calculada a partir de los efectos gravitacionales del Sol y varios planetas. Al combinar muchas de estas mediciones, se podía obtener un valor de ajuste óptimo para el tiempo de luz por unidad de distancia. Por ejemplo, en 2009, la mejor estimación, aprobada por la Unión Astronómica Internacional (UAI), era: ^{[102] [103]}

tiempo de luz por unidad de distancia: t _au  = 499.004 783 836 (10) s ,

c  = 0,002 003 988 804 10 (4) UA/s  = 173.144 632 674 (3) UA/día .

La incertidumbre relativa en estas mediciones es de 0,02 partes por mil millones (2 × 10 ⁻¹¹ ), equivalente a la incertidumbre en las mediciones de longitud basadas en la Tierra por interferometría. ^[104] Dado que el metro se define como la longitud recorrida por la luz en un cierto intervalo de tiempo, la medición del tiempo luz en términos de la definición anterior de la unidad astronómica también puede interpretarse como la medición de la longitud de una UA (definición antigua) en metros. ^{[Nota 13]}

Un método para medir la velocidad de la luz consiste en medir el tiempo que tarda la luz en llegar a un espejo situado a una distancia conocida y volver. Este es el principio de funcionamiento que sustenta los experimentos de Hippolyte Fizeau y Léon Foucault .

El sistema utilizado por Fizeau consiste en un haz de luz dirigido hacia un espejo situado a 8 kilómetros de distancia. En el trayecto desde la fuente hasta el espejo, el haz pasa por una rueda dentada giratoria. A una determinada velocidad de rotación, el haz pasa por un hueco en el camino de ida y por otro en el de vuelta, pero a velocidades ligeramente superiores o inferiores, el haz incide en un diente y no atraviesa la rueda. Conociendo la distancia entre la rueda y el espejo, el número de dientes de la rueda y la velocidad de rotación, se puede calcular la velocidad de la luz. ^[105]

El método de Foucault reemplaza la rueda dentada por un espejo giratorio. Como el espejo sigue girando mientras la luz viaja hacia el espejo distante y de regreso, la luz se refleja desde el espejo giratorio en un ángulo diferente en su camino de ida y vuelta. A partir de esta diferencia de ángulo, se puede calcular la velocidad de rotación conocida y la distancia al espejo distante: la velocidad de la luz. ^[106] Foucault utilizó este aparato para medir la velocidad de la luz en el aire en comparación con el agua, basándose en una sugerencia de François Arago . ^[107]

En la actualidad, con osciloscopios con resoluciones temporales inferiores a un nanosegundo, se puede medir directamente la velocidad de la luz cronometrando el retardo de un pulso de luz de un láser o un LED reflejado en un espejo. Este método es menos preciso (con errores del orden del 1%) que otras técnicas modernas, pero a veces se utiliza como experimento de laboratorio en las clases de física de la universidad. ^[108]

Una opción para derivar c que no depende directamente de una medición de la propagación de ondas electromagnéticas es utilizar la relación entre c y la permitividad del vacío ε ₀ y la permeabilidad del vacío μ ₀ establecida por la teoría de Maxwell: c ²  = 1/( ε ₀ μ ₀ ). La permitividad del vacío se puede determinar midiendo la capacitancia y las dimensiones de un condensador , mientras que el valor de la permeabilidad del vacío se fijaba históricamente exactamente en4π × 10 ⁻⁷  H⋅m ⁻¹ a través de la definición del amperio . Rosa y Dorsey utilizaron este método en 1907 para encontrar un valor de299 710 ± 22 km/s . Su método dependía de tener una unidad estándar de resistencia eléctrica, el " ohmio internacional ", y por lo tanto su precisión estaba limitada por la forma en que se definiera este estándar. ^{[109] [110]}

Otra forma de medir la velocidad de la luz es medir independientemente la frecuencia f y la longitud de onda λ de una onda electromagnética en el vacío. El valor de c se puede encontrar entonces utilizando la relación c  =  fλ . Una opción es medir la frecuencia de resonancia de un resonador de cavidad . Si también se conocen las dimensiones de la cavidad de resonancia, estas se pueden utilizar para determinar la longitud de onda de la onda. En 1946, Louis Essen y AC Gordon-Smith establecieron la frecuencia para una variedad de modos normales de microondas de una cavidad de microondas de dimensiones conocidas con precisión. Las dimensiones se establecieron con una precisión de aproximadamente ±0,8 μm utilizando medidores calibrados por interferometría. ^[109] Como la longitud de onda de los modos se conocía a partir de la geometría de la cavidad y de la teoría electromagnética , el conocimiento de las frecuencias asociadas permitió un cálculo de la velocidad de la luz. ^{[109] [111]}

El resultado de Essen-Gordon-Smith,299 792 ± 9 km/s , fue sustancialmente más precisa que las encontradas mediante técnicas ópticas. ^[109] En 1950, mediciones repetidas de Essen establecieron un resultado de299 792,5 ± 3,0 km /s . ^[112]

Es posible realizar una demostración casera de esta técnica utilizando un horno microondas y alimentos como malvaviscos o margarina: si se retira el plato giratorio para que los alimentos no se muevan, se cocinarán más rápido en los antinodos (los puntos en los que la amplitud de onda es mayor), donde comenzarán a derretirse. La distancia entre dos de esos puntos es la mitad de la longitud de onda de las microondas; midiendo esta distancia y multiplicando la longitud de onda por la frecuencia de las microondas (que suele aparecer en la parte posterior del horno, normalmente 2450 MHz), se puede calcular el valor de c , "a menudo con un error inferior al 5%". ^{[113] [114]}

La interferometría es otro método para encontrar la longitud de onda de la radiación electromagnética para determinar la velocidad de la luz. ^{[Nota 14]} Un haz de luz coherente (por ejemplo, de un láser ), con una frecuencia conocida ( f ), se divide para seguir dos caminos y luego se recombina. Al ajustar la longitud del camino mientras se observa el patrón de interferencia y se mide cuidadosamente el cambio en la longitud del camino, se puede determinar la longitud de onda de la luz ( λ ). Luego, la velocidad de la luz se calcula utilizando la ecuación  c  =  λf .

Antes de la llegada de la tecnología láser, se utilizaban fuentes de radio coherentes para las mediciones interferométricas de la velocidad de la luz. ^[116] La determinación interferométrica de la longitud de onda se vuelve menos precisa con la longitud de onda y, por lo tanto, los experimentos estaban limitados en precisión por la longitud de onda larga (~4 mm (0,16 pulgadas)) de las ondas de radio. La precisión se puede mejorar utilizando luz con una longitud de onda más corta, pero entonces se vuelve difícil medir directamente la frecuencia de la luz. ^[117]

Una forma de evitar este problema es empezar con una señal de baja frecuencia cuya frecuencia se pueda medir con precisión y, a partir de esta señal, sintetizar progresivamente señales de mayor frecuencia cuya frecuencia se pueda vincular a la señal original. A continuación, se puede sincronizar un láser con la frecuencia y se puede determinar su longitud de onda mediante interferometría. ^[117] Esta técnica se debió a un grupo de la Oficina Nacional de Normas (que más tarde se convirtió en el Instituto Nacional de Normas y Tecnología ). La utilizaron en 1972 para medir la velocidad de la luz en el vacío con una incertidumbre fraccionaria de3,5 × 10 ⁻⁹ . ^{[117] [118]}

Hasta principios de la época moderna no se sabía si la luz viajaba instantáneamente o a una velocidad finita muy rápida. El primer estudio registrado sobre este tema se realizó en la antigua Grecia . Los antiguos griegos, los eruditos árabes y los científicos europeos clásicos debatieron sobre este tema durante mucho tiempo hasta que Rømer proporcionó el primer cálculo de la velocidad de la luz. La teoría de la relatividad especial de Einstein postula que la velocidad de la luz es constante independientemente del marco de referencia. Desde entonces, los científicos han proporcionado mediciones cada vez más precisas.

Empédocles (c. 490–430 a. C.) fue el primero en proponer una teoría de la luz ^[127] y afirmó que la luz tiene una velocidad finita. ^[128] Sostuvo que la luz era algo en movimiento y, por lo tanto, debía tardar un tiempo en viajar. Aristóteles argumentó, por el contrario, que "la luz se debe a la presencia de algo, pero no es un movimiento". ^[129] Euclides y Ptolomeo propusieron la teoría de la emisión de Empédocles sobre la visión, según la cual la luz se emite desde el ojo, lo que permite la visión. Basándose en esa teoría, Herón de Alejandría argumentó que la velocidad de la luz debe ser infinita porque los objetos distantes, como las estrellas, aparecen inmediatamente al abrir los ojos. ^[130]

Los primeros filósofos islámicos inicialmente estuvieron de acuerdo con la visión aristotélica de que la luz no tenía velocidad de viaje. En 1021, Alhazen (Ibn al-Haytham) publicó el Libro de Óptica , en el que presentó una serie de argumentos que descartaban la teoría de la emisión de la visión a favor de la teoría de la intromisión ahora aceptada, en la que la luz se mueve desde un objeto hacia el ojo. ^[131] Esto llevó a Alhazen a proponer que la luz debe tener una velocidad finita, ^{[129] [132] [133]} y que la velocidad de la luz es variable, disminuyendo en cuerpos más densos. ^{[133] [134]} Argumentó que la luz es materia sustancial, cuya propagación requiere tiempo, incluso si este está oculto a los sentidos. ^[135] También en el siglo XI, Abū Rayhān al-Bīrūnī estuvo de acuerdo en que la luz tiene una velocidad finita, y observó que la velocidad de la luz es mucho más rápida que la velocidad del sonido. ^[136]

En el siglo XIII, Roger Bacon argumentó que la velocidad de la luz en el aire no era infinita, utilizando argumentos filosóficos respaldados por los escritos de Alhazen y Aristóteles. ^{[137] [138]} En la década de 1270, Witelo consideró la posibilidad de que la luz viajara a una velocidad infinita en el vacío, pero que se desacelerara en cuerpos más densos. ^[139]

A principios del siglo XVII, Johannes Kepler creía que la velocidad de la luz era infinita, ya que el espacio vacío no presenta ningún obstáculo para ella. René Descartes argumentó que si la velocidad de la luz fuera finita, el Sol, la Tierra y la Luna estarían notablemente desalineados durante un eclipse lunar . Aunque este argumento falla cuando se tiene en cuenta la aberración de la luz , esta última no se reconoció hasta el siglo siguiente. ^[140] Como tal desalineación no se había observado, Descartes concluyó que la velocidad de la luz era infinita. Descartes especuló que si se descubriera que la velocidad de la luz era finita, todo su sistema de filosofía podría ser demolido. ^[129] A pesar de esto, en su derivación de la ley de Snell , Descartes asumió que algún tipo de movimiento asociado con la luz era más rápido en medios más densos. ^{[141] [142]} Pierre de Fermat derivó la ley de Snell utilizando el supuesto opuesto, cuanto más denso es el medio, más lento viaja la luz. Fermat también argumentó a favor de una velocidad finita de la luz. ^[143]

En 1629, Isaac Beeckman propuso un experimento en el que una persona observa el destello de un cañón reflejándose en un espejo a aproximadamente una milla (1,6 km) de distancia. En 1638, Galileo Galilei propuso un experimento, con una aparente afirmación de haberlo realizado algunos años antes, para medir la velocidad de la luz observando el retraso entre descubrir una linterna y su percepción a cierta distancia. No pudo distinguir si el viaje de la luz era instantáneo o no, pero concluyó que si no lo era, debía ser extraordinariamente rápido. ^{[119] [120]} En 1667, la Accademia del Cimento de Florencia informó que había realizado el experimento de Galileo, con las linternas separadas por aproximadamente una milla, pero no se observó ningún retraso. ^[144] El retraso real en este experimento habría sido de aproximadamente 11 microsegundos .

La primera estimación cuantitativa de la velocidad de la luz fue realizada en 1676 por Ole Rømer. ^{[94] [95]} A partir de la observación de que los períodos de la luna más interior de Júpiter, Ío, parecían ser más cortos cuando la Tierra se acercaba a Júpiter que cuando se alejaba de él, concluyó que la luz viaja a una velocidad finita y estimó que la luz tarda 22 minutos en cruzar el diámetro de la órbita de la Tierra. Christiaan Huygens combinó esta estimación con una estimación del diámetro de la órbita de la Tierra para obtener una estimación de la velocidad de la luz de220 000  km/s , lo que supone un 27% menos que el valor real. ^[123]

En su libro Opticks de 1704 , Isaac Newton informó sobre los cálculos de Rømer de la velocidad finita de la luz y dio un valor de "siete u ocho minutos" para el tiempo que tarda la luz en viajar desde el Sol a la Tierra (el valor moderno es 8 minutos 19 segundos). ^[145] Newton se preguntó si las sombras del eclipse de Rømer estaban coloreadas. Al escuchar que no lo estaban, concluyó que los diferentes colores viajaban a la misma velocidad. En 1729, James Bradley descubrió la aberración estelar . ^[96] A partir de este efecto, determinó que la luz debe viajar 10.210 veces más rápido que la Tierra en su órbita (la cifra moderna es 10.066 veces más rápida) o, equivalentemente, que la luz tardaría 8 minutos 12 segundos en viajar desde el Sol a la Tierra. ^[96]

En el siglo XIX, Hippolyte Fizeau desarrolló un método para determinar la velocidad de la luz basándose en mediciones del tiempo de vuelo en la Tierra y reportó un valor de315 000  km/s . ^[146] Su método fue mejorado por Léon Foucault , quien obtuvo un valor de298 000  km/s en 1862. ^[105] En el año 1856, Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch midieron la relación entre las unidades electromagnéticas y electrostáticas de carga, 1/ √ ε ₀ μ ₀ , descargando una botella de Leyden , y descubrieron que su valor numérico era muy cercano a la velocidad de la luz medida directamente por Fizeau. Al año siguiente, Gustav Kirchhoff calculó que una señal eléctrica en un cable sin resistencia viaja a lo largo del cable a esta velocidad. ^[147]

A principios de la década de 1860, Maxwell demostró que, según la teoría del electromagnetismo en la que estaba trabajando, las ondas electromagnéticas se propagan en el espacio vacío ^[148] a una velocidad igual a la relación Weber/Kohlrausch antes mencionada, y llamando la atención sobre la proximidad numérica de este valor a la velocidad de la luz medida por Fizeau, propuso que la luz es de hecho una onda electromagnética. ^[149] Maxwell respaldó su afirmación con su propio experimento publicado en Philosophical Transactions de 1868, que determinaba la relación entre las unidades electrostáticas y electromagnéticas de la electricidad. ^[150]

Las propiedades ondulatorias de la luz eran bien conocidas desde Thomas Young . En el siglo XIX, los físicos creían que la luz se propagaba en un medio llamado éter (o éter). Pero en el caso de la fuerza eléctrica, se parece más a la fuerza gravitacional de la ley de Newton. No se requería un medio de transmisión. Después de que la teoría de Maxwell unificara la luz y las ondas eléctricas y magnéticas, se favoreció la idea de que tanto la luz como las ondas eléctricas y magnéticas se propagaran en el mismo medio etéreo (o llamado éter luminífero ). ^[151]

En aquella época se creía que el espacio vacío estaba lleno de un medio de fondo llamado éter luminífero en el que existía el campo electromagnético. Algunos físicos pensaban que este éter actuaba como un marco de referencia preferido para la propagación de la luz y, por lo tanto, debería ser posible medir el movimiento de la Tierra con respecto a este medio, midiendo la isotropía de la velocidad de la luz. A partir de la década de 1880 se realizaron varios experimentos para intentar detectar este movimiento, el más famoso de los cuales es el experimento realizado por Albert A. Michelson y Edward W. Morley en 1887. ^{[152] [153]} Se descubrió que el movimiento detectado siempre era nulo (dentro del margen de error de observación). Los experimentos modernos indican que la velocidad bidireccional de la luz es isotrópica (la misma en todas las direcciones) con una precisión de 6 nanómetros por segundo. ^[154]

Debido a este experimento, Hendrik Lorentz propuso que el movimiento del aparato a través del éter puede hacer que el aparato se contraiga a lo largo de su longitud en la dirección del movimiento, y supuso además que la variable tiempo para los sistemas en movimiento también debe cambiarse en consecuencia ("tiempo local"), lo que llevó a la formulación de la transformación de Lorentz . Basándose en la teoría del éter de Lorentz , Henri Poincaré (1900) demostró que este tiempo local (de primer orden en v / c ) está indicado por relojes que se mueven en el éter, que están sincronizados bajo el supuesto de una velocidad de luz constante. En 1904, especuló que la velocidad de la luz podría ser una velocidad límite en dinámica, siempre que se confirmen todos los supuestos de la teoría de Lorentz. En 1905, Poincaré hizo que la teoría del éter de Lorentz coincidiera plenamente en términos observacionales con el principio de relatividad . ^{[155] [156]}

En 1905, Einstein postuló desde el principio que la velocidad de la luz en el vacío, medida por un observador que no acelera, es independiente del movimiento de la fuente o del observador. Utilizando esto y el principio de relatividad como base, derivó la teoría especial de la relatividad , en la que la velocidad de la luz en el vacío c figuraba como una constante fundamental, que también aparecía en contextos no relacionados con la luz. Esto hizo inútil el concepto de éter estacionario (al que Lorentz y Poincaré todavía se adhirieron) y revolucionó los conceptos de espacio y tiempo. ^{[157] [158]}

En la segunda mitad del siglo XX se hicieron grandes progresos en la mejora de la precisión de las mediciones de la velocidad de la luz, primero mediante técnicas de resonancia de cavidad y más tarde mediante técnicas de interferómetro láser. Estas se vieron favorecidas por nuevas definiciones más precisas del metro y el segundo. En 1950, Louis Essen determinó la velocidad como299 792 ,5 ± 3,0 km/s , utilizando resonancia de cavidad. ^[112] Este valor fue adoptado por la 12.ª Asamblea General de la Unión Radiocientífica en 1957. En 1960, el metro se redefinió en términos de la longitud de onda de una línea espectral particular del criptón-86 y, en 1967, el segundo se redefinió en términos de la frecuencia de transición hiperfina del estado fundamental del cesio-133 . ^[159]

En 1972, utilizando el método del interferómetro láser y las nuevas definiciones, un grupo de la Oficina Nacional de Normas de Estados Unidos en Boulder, Colorado, determinó que la velocidad de la luz en el vacío era c  = 299 792 456 ,2 ± 1,1 m/s . Esto era 100 veces menos incierto que el valor aceptado anteriormente. La incertidumbre restante se relacionaba principalmente con la definición del metro. ^{[Nota 16] [118]} Como experimentos similares encontraron resultados comparables para c , la 15.ª Conferencia General de Pesas y Medidas en 1975 recomendó utilizar el valor299 792 458  m/s para la velocidad de la luz. ^[162]

En 1983, la 17.ª reunión de la Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) concluyó que las longitudes de onda de las mediciones de frecuencia y un valor dado de la velocidad de la luz son más reproducibles que el estándar anterior. Mantuvieron la definición de segundo de 1967, por lo que la frecuencia hiperfina de cesio determinaría ahora tanto el segundo como el metro. Para ello, redefinieron el metro como "la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 de segundo". ^[93]

Como resultado de esta definición, el valor de la velocidad de la luz en el vacío es exactamente299 792 458  m/s ^{[163] [164]} y se ha convertido en una constante definida en el sistema SI de unidades. ^[14] Las técnicas experimentales mejoradas que, antes de 1983, habrían medido la velocidad de la luz ya no afectan el valor conocido de la velocidad de la luz en unidades SI, sino que permiten una realización más precisa del metro midiendo con mayor exactitud la longitud de onda del criptón-86 y otras fuentes de luz. ^{[165] [166]}

En 2011, la CGPM manifestó su intención de redefinir las siete unidades básicas del SI utilizando lo que denomina "la formulación de la constante explícita", en la que cada "unidad se define indirectamente especificando explícitamente un valor exacto para una constante fundamental bien reconocida", como se hizo para la velocidad de la luz. Propuso una redacción nueva, pero completamente equivalente, de la definición del metro: "El metro, símbolo m, es la unidad de longitud; su magnitud se establece fijando el valor numérico de la velocidad de la luz en el vacío para que sea exactamente igual a299 792 458 cuando se expresa en la unidad SI ms ⁻¹ ." ^[167] Este fue uno de los cambios que se incorporaron en la revisión de 2019 del SI , también denominada Nuevo SI . ^[168]

Wikiquote tiene citas relacionadas con Velocidad de la luz .

• "Prueba de la velocidad de la luz en un tubo de vacío de una milla de longitud". Popular Science Monthly , septiembre de 1930, págs. 17-18.
• Definición del metro (Oficina Internacional de Pesas y Medidas, BIPM)
• Velocidad de la luz en el vacío (Instituto Nacional de Estándares y Tecnología, NIST)
• Galería de datos: Velocidad de la luz de Michelson (estimación de ubicación univariante) (descargar datos recopilados por Albert A. Michelson )
• Subluminal (applet de Java de Greg Egan que muestra los límites de información de velocidad de grupo)
• Discusión ligera sobre la adición de velocidades
• Velocidad de la luz (Sesenta símbolos, Departamento de Física de la Universidad de Nottingham [vídeo])
• La velocidad de la luz, debate en BBC Radio  4 ( In Our Time , 30 de noviembre de 2006)
• Velocidad de la luz (Contador en vivo – Ilustraciones)
• Velocidad de la luz: demostraciones animadas
• "La velocidad de la luz", Albert A. Nicholson, Scientific American , 28 de septiembre de 1878, pág. 193