¿Qué tan rápido viaja la luz en el vacío?
La velocidad de la luz en el vacío es un indicador ampliamente utilizado en la física y en un momento hizo posible realizar una serie de descubrimientos, así como explicar la naturaleza de muchos fenómenos. Hay varios puntos importantes que deben estudiarse para comprender el tema y comprender cómo y en qué condiciones se descubrió este indicador.
¿Cuál es la velocidad de la luz?
La velocidad de propagación de la luz en el vacío se considera un valor absoluto, que refleja la velocidad de propagación de la radiación electromagnética. Es ampliamente utilizado en física y tiene una designación en forma de letra latina minúscula "s" (dice "tse").
Según la mayoría de los investigadores y científicos, la velocidad de la luz en el vacío es la velocidad máxima posible del movimiento de partículas y la propagación de varios tipos de radiación.
En cuanto a los ejemplos de fenómenos, son:
- Luz visible de cualquier fuente.
- Todo tipo de radiación electromagnética (como rayos X y ondas de radio).
- Ondas gravitacionales (aquí difieren las opiniones de algunos expertos).
Muchos tipos de partículas pueden viajar cerca de la velocidad de la luz, pero nunca alcanzarla.
El valor exacto de la velocidad de la luz.
Los científicos han estado tratando durante muchos años de determinar cuál es la velocidad de la luz, pero se realizaron mediciones precisas en los años 70 del siglo pasado. Finalmente el indicador era 299.792.458 m/s con una desviación máxima de +/-1,2 m. Hoy es una unidad física invariable, ya que la distancia en un metro es 1/299.792.458 de segundo, ese es el tiempo que tarda la luz en el vacío en recorrer 100 cm.
Para simplificar los cálculos, el indicador se simplifica a 300 000 000 m/s (3×108 m/s). Es familiar para todos en el curso de física en la escuela, es allí donde se mide la velocidad de esta forma.
El papel fundamental de la velocidad de la luz en la física
Este indicador es uno de los principales, independientemente del sistema de referencia que se utilice en el estudio. No depende del movimiento de la fuente de onda, que también es importante.
La invariancia fue postulada por Albert Einstein en 1905. Esto sucedió después de que otro científico, Maxwell, que no encontró evidencia de la existencia de un éter luminífero, presentó una teoría sobre el electromagnetismo.
La afirmación de que un efecto causal no puede transportarse a una velocidad superior a la de la luz se considera bastante razonable hoy en día.
¡De paso! Los físicos no niegan que algunas de las partículas pueden moverse a una velocidad superior al indicador considerado. Sin embargo, no se pueden utilizar para transmitir información.
Referencias históricas
Para comprender las características del tema y descubrir cómo se descubrieron ciertos fenómenos, se deben estudiar los experimentos de algunos científicos. En el siglo XIX, se hicieron muchos descubrimientos que ayudaron a los científicos más tarde, principalmente relacionados con la corriente eléctrica y los fenómenos de inducción magnética y electromagnética.
Experimentos de James Maxwell
La investigación del físico confirmó la interacción de partículas a distancia. Posteriormente, esto permitió a Wilhelm Weber desarrollar una nueva teoría del electromagnetismo. Maxwell también estableció claramente el fenómeno de los campos magnéticos y eléctricos y determinó que pueden generarse entre sí, formando ondas electromagnéticas. Fue este científico quien primero comenzó a usar la designación "s", que todavía usan los físicos de todo el mundo.
Gracias a esto, la mayoría de los investigadores ya comenzaron a hablar sobre la naturaleza electromagnética de la luz. Maxwell, mientras estudiaba la velocidad de propagación de las excitaciones electromagnéticas, llegó a la conclusión de que este indicador es igual a la velocidad de la luz, en un momento se sorprendió por este hecho.
Gracias a la investigación de Maxwell, quedó claro que la luz, el magnetismo y la electricidad no son conceptos separados. Juntos, estos factores determinan la naturaleza de la luz, porque es una combinación de un campo magnético y eléctrico que se propaga en el espacio.
Michelson y su experiencia en la prueba del carácter absoluto de la velocidad de la luz
A principios del siglo pasado, la mayoría de los científicos utilizaron el principio de relatividad de Galileo, según el cual se creía que las leyes de la mecánica no cambian, independientemente del marco de referencia que se utilice. Pero al mismo tiempo, según la teoría, la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas debería cambiar cuando la fuente se mueve. Esto iba en contra tanto de los postulados de Galileo como de la teoría de Maxwell, razón por la cual se inició la investigación.
En ese momento, la mayoría de los científicos se inclinaban por la "teoría del éter", según la cual los indicadores no dependían de la velocidad de su fuente, el principal factor determinante eran las características del entorno.
Dado que la Tierra se mueve en el espacio exterior en una determinada dirección, la velocidad de la luz, de acuerdo con la ley de la suma de velocidades, diferirá cuando se mida en diferentes direcciones. Pero Michelson no encontró ninguna diferencia en la propagación de las ondas electromagnéticas, independientemente de la dirección en la que se hicieran las mediciones.
La teoría del éter no podía explicar la presencia de un valor absoluto, lo que mostraba aún mejor su falacia.
La teoría especial de la relatividad de Albert Einstein
Un joven científico en ese momento presentó una teoría que va en contra de las ideas de la mayoría de los investigadores. Según él, el tiempo y el espacio tienen características tales que aseguran la invariancia de la velocidad de la luz en el vacío, independientemente del marco de referencia elegido. Esto explicó los experimentos fallidos de Michelson, ya que la velocidad de propagación de la luz no depende del movimiento de su fuente.
[tds_council]La confirmación indirecta de la corrección de la teoría de Einstein fue la "relatividad de la simultaneidad", su esencia se muestra en la figura.[/tds_council]
¿Cómo se medía antes la velocidad de la luz?
Muchos han intentado determinar este indicador, pero debido al bajo nivel de desarrollo de la ciencia, anteriormente era problemático hacerlo. Así, los científicos de la antigüedad creían que la velocidad de la luz era infinita, pero luego muchos investigadores dudaron de este postulado, lo que llevó a una serie de intentos por determinarlo:
- Galileo usó linternas. Para calcular la velocidad de propagación de las ondas de luz, él y su asistente estaban en colinas, cuya distancia se determinó exactamente. Entonces uno de los participantes abrió la linterna, el segundo tuvo que hacer lo mismo en cuanto vio la luz. Pero este método no dio resultados debido a la alta velocidad de propagación de la onda y la incapacidad de determinar con precisión el intervalo de tiempo.
- Olaf Roemer, un astrónomo de Dinamarca, notó una característica mientras observaba a Júpiter. Cuando la Tierra y Júpiter se encontraban en puntos opuestos de sus órbitas, el eclipse de Io (una luna de Júpiter) se retrasó 22 minutos respecto al propio planeta. En base a esto, concluyó que la velocidad de propagación de las ondas de luz no es infinita y tiene un límite. Según sus cálculos, la cifra era de aproximadamente 220.000 km por segundo.
![Determinación de la velocidad de la luz según Roemer.]()
Determinación de la velocidad de la luz según Roemer. - Alrededor del mismo período, el astrónomo inglés James Bradley descubrió el fenómeno de la aberración de la luz, cuando debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol, así como debido a la rotación alrededor de su eje, por lo que la posición de las estrellas en el cielo y la distancia a ellos están cambiando constantemente.Debido a estas características, las estrellas describen una elipse durante cada año. Basándose en cálculos y observaciones, el astrónomo calculó la velocidad, era de 308.000 km por segundo.
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aberración de la luz - Louis Fizeau fue el primero que decidió determinar el indicador exacto a través de un experimento de laboratorio. Instaló un vidrio con una superficie de espejo a una distancia de 8633 m de la fuente, pero como la distancia es pequeña, era imposible hacer cálculos de tiempo precisos. Luego, el científico instaló una rueda dentada, que periódicamente cubría la luz con dientes. Al cambiar la velocidad de la rueda, Fizeau determinó a qué velocidad la luz no tenía tiempo de deslizarse entre los dientes y regresar. Según sus cálculos, la velocidad era de 315 mil kilómetros por segundo.
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Experiencia de Louis Fizeau.
Midiendo la velocidad de la luz
Esto se puede hacer de varias maneras. No vale la pena analizarlos en detalle, cada uno requerirá una revisión por separado. Por lo tanto, es más fácil entender las variedades:
- Medidas astronómicas. Aquí, los métodos de Roemer y Bradley se utilizan con mayor frecuencia, ya que han demostrado su eficacia y las propiedades del aire, el agua y otras características del medio ambiente no afectan el rendimiento. En condiciones de vacío espacial, la precisión de la medición aumenta.
- resonancia de cavidad o efecto de cavidad - este es el nombre del fenómeno de ondas magnéticas estacionarias de baja frecuencia que surgen entre la superficie del planeta y la ionosfera. Usando fórmulas especiales y datos de equipos de medición, no es difícil calcular el valor de la velocidad de las partículas en el aire.
- Interferometría - un conjunto de métodos de investigación en los que se forman varios tipos de ondas.Esto da como resultado un efecto de interferencia, que permite realizar numerosas mediciones de vibraciones tanto electromagnéticas como acústicas.
Con la ayuda de equipos especiales, se pueden tomar medidas sin utilizar técnicas especiales.
¿Es posible la velocidad superlumínica?
Basado en la teoría de la relatividad, el exceso del indicador por partículas físicas viola el principio de causalidad. Debido a esto, es posible transmitir señales del futuro al pasado y viceversa. Pero al mismo tiempo, la teoría no niega que puede haber partículas que se mueven más rápido, mientras interactúan con sustancias ordinarias.
Este tipo de partículas se denominan taquiones. Cuanto más rápido se mueven, menos energía transportan.
Lección en video: el experimento de Fizeau. Medida de la velocidad de la luz. Grado 11 de física.
La velocidad de la luz en el vacío es un valor constante; muchos fenómenos de la física se basan en él. Su definición supuso un nuevo hito en el desarrollo de la ciencia, ya que permitió explicar muchos procesos y simplificó una serie de cálculos.