Teorías de la velocidad de la luz

La velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de valor 299 792 458 m/s (aproximadamente 186 282.397 millas/s) (suele aproximarse a 3·108 m/s como ya había escrito antes), o lo que es lo mismo 9.46·1015 m/año; la segunda cifra es la usada para definir al intervalo llamado año luz.

Se simboliza con la letra c, proveniente del latín celéritās (en español celeridad o rapidez).

El valor de la velocidad de la luz en el vacío fue incluido oficialmente en el Sistema Internacional de Unidades como constante el 21 de octubre de 1983, pasando así el metro a ser una unidad derivada de esta constante.

La rapidez a través de un medio que no sea el "vacío" depende de su permitividad eléctrica, de su permeabilidad magnética, y otras características electromagnéticas. En medios materiales, esta velocidad es inferior a "c" y queda codificada en el índice de refracción. En modificaciones del vacío más sutiles, como espacios curvos, efecto Casimir, poblaciones térmicas o presencia de campos externos, la velocidad de la luz depende de la densidad de energía de ese vacío.

De acuerdo con la física moderna toda radiación electromagnética (incluida la luz visible) se propaga o mueve a una velocidad constante en el vacío, conocida común —aunque impropiamente como "velocidad de la luz" (magnitud vectorial), en vez de "rapidez de la luz" (magnitud escalar). Esta es una constante física denotada como c. La rapidez c es también la rapidez de la propagación de la gravedad en la teoría general de la relatividad.

Una consecuencia en las leyes del electromagnetismo (tales como las ecuaciones de Maxwell) es que la rapidez c de radiación electromagnética no depende de la velocidad del objeto que emite la radiación. Así, por ejemplo, la luz emitida de una fuente de luz que se mueve rápidamente viajaría a la misma velocidad que la luz proveniente de una fuente estacionaria (aunque el color, la frecuencia, la energía y el momentum de la luz cambiarán; fenómeno que se conoce como efecto Doppler). 

Tipos de luz

LUZ SOLAR: El sol es una estrella que debido al efecto gravitacional de su masa domina al sistema planetario llamado sistema solar en el que se encuentra la tierra. El sol actúa como una gran planta nuclear liberando la energía de su núcleo. Esta energía nuclear produce la luz solar y la luz solar es la encargada de iluminar solo una parte de la tierra, esto sucede debido al movimiento de rotación del planeta que gira sobre su propio eje y tarda 24 horas en completar una vuelta completa.

LUZ DE BOMBILLAS: En México se les asigna más comúnmente el nombre de focos. Son lámparas eléctricas de luz muy potente concentrada en una sola dirección.  Su cuerpo luminoso es generalmente de tungsteno a través del cual circula una corriente eléctrica. Como consecuencia debido al calor el tungsteno comienza a arder y de este modo produce la luz. De toda la energía liberada en el proceso solo un porcentaje muy pequeño se transforma en luz ya que el resto de la energía se transforma en calor. En el interior de vidrio del foco no existe el oxígeno para que el filamento no se queme. Generalmente se rellena de nitrógeno o algún otro gas noble.

LUZ PROVENIENTE DE PROCESOS DE COMBUSTIÓN: Se le llama proceso de combustión al acto en el que una substancia se oxida de una manera acelerada y en el cuál se desprende gran cantidad de calor y de luz, es decir al proceso a través del cual se quema un material o substancia. Estos procesos son los que mantienen funcionales ciertos tipos de lámparas, algunas comerciales y desarrolladas de manera profesional. Sin embargo la luz de un proceso de combustión también se puede obtener simplemente quemando cualquier material que pueda ser consumido por el fuego.

En la fotografía también existen varios tipos de iluminación a los cuales se les llama tipos de luz, estos son:

LUZ NATURAL: La luz natural proviene del sol o bien del reflejo de la luz del sol en la luna cuando esta se encuentra llena. La luz natural tiene diferentes matices en intensidad, dureza, color y dirección. Esto debido a los movimientos de rotación y traslación de la tierra que sitúan al planeta en diversas posiciones frente al sol.
En fotografía la luz natural es utilizada fundamentalmente para realizar tomas en exteriores.

LUZ ARTIFICIAL: La luz artificial en el mundo de la fotografía es un tipo de luz que proviene de elementos artificiales como focos, spots, flashes y cualquier objeto luminoso que pueda ser controlado por el hombre. Este tipo de luz, por tanto, brinda la posibilidad de manipular su dirección, color e intensidad por lo que sirve para realizar tomas tanto en interiores como en exteriores.

 

Las teorías

Galileo Galilei

Galileo intentó en una ocasión medir la velocidad de la luz, aunque sin éxito. Galileo se estacionó en lo alto de una colina con una lámpara, mientras un ayudante hacía lo mismo en otra colina. Galileo descubrió la lámpara durante un instante, enviando un destello al ayudante quien, tan pronto como vio ese destello hizo lo propio destapando su lámpara y enviando otro destello a Galileo. Éste anotó el tiempo transcurrido total, repitiendo el experimento una y otra vez con distancias cada vez mayores entre los observadores, llegando finalmente a la conclusión de que era imposible descubrir las lámparas con la suficiente rapidez y que la luz probablemente se propagaba con velocidad infinita. Sabiendo, como ahora sabemos, que la luz viaja a la impresionante velocidad de 300.000 km/s, es fácil comprender las causas del fallo del experimento de Galileo.

Ole Rømer.

En 1676, el danés Ole Rømer, a partir de observaciones astronómicas realizadas sobre uno de los satélites del planeta Júpiter, obtuvo la primera prueba terminante de que la luz se propagaba con velocidad infinita. Júpiter tiene doce pequeños satélites o lunas, cualquiera de ellos son suficientemente brillantes para que puedan verse con un telescopio regularmente bueno o unos prismáticos. Los satélites aparecen como minúsculos puntos brillantes a uno y otro lado del disco del planeta. Estos satélites giran alrededor de Júpiter como la Luna alrededor de la Tierra, y cada uno es eclipsado por el planeta durante una parte de cada revolución.

Rømer dedujo de sus observaciones que la luz necesitaba un tiempo de unos veintidós minutos para recorrer una distancia igual al diámetro de la órbita terrestre. El mejor valor obtenido para esta distancia, en tiempos de Rømer, era de 1'72·108 millas.

Albert Michelson

Albert Abraham Michelson nació en Strelno (actualmente Strzelno, Polonia); llegó a Estados Unidos siendo un niño y estudió en la Academia Naval de los Estados Unidos y en las universidades de Berlín, Heidelberg y París. Fue profesor de física en la Universidad Clark desde 1889 hasta 1892, y desde 1892 hasta 1929 dirigió el departamento de física de la Universidad de Chicago. Determinó la velocidad de la luz con un alto grado de precisión, con instrumentos creados por él.

En 1887 Michelson inventó el interferómetro, que utilizó en el famoso experimento del éter realizado con el químico estadounidense Edward Williams Morley. En aquella época, la mayoría de los científicos creían que la luz viajaba como ondas a través del éter. También opinaban que la Tierra viajaba por el éter. El experimento Michelson-Morley demostró que dos rayos de luz enviados en diferentes direcciones desde la Tierra se reflejaban a la misma velocidad. De acuerdo con la teoría del éter, los rayos se habrían reflejado a velocidades distintas. De esta forma, el experimento demostró que el éter no existía. Los resultados negativos del experimento también fueron útiles para el desarrollo de la teoría de la relatividad. Entre las obras más importantes de Michelson se encuentran La velocidad de la luz (1902) y Estudios de óptica (1927).

Michelson sobresalió con sus contribuciones y mejoras. Reemplazando la rueda dentada por un pequeño espejo de ocho caras y aumentando la trayectoria de la luz cerca de 70 km, Michelson obtuvo el valor de 299.796 km/seg en 1926.

Un estudio crítico extensivo de los diferentes valores atribuidos por los distintos observadores a la velocidad de la luz en estos últimos cuarenta años ha permitido fijar como valor más probable el de:

c = 299.792.5 km/s

Con fines prácticos se toma para la velocidad de la luz en el vacío o en el aire la cifra de

c = 3 x 108 m/s.

El artículo, escrito por el físico James Franson de la Universidad de Maryland, ha copado la atención de la comunidad de la física al poner en duda la exactitud de la reconocida teoría de la relatividad general. Dicha teoría sugiere que la luz viaja a una velocidad constante de 299.792.458 metros por segundo en el vacío, un valor que es de uso universal en la mayoría de mediciones relacionadas con el cosmos.

Según las cifras de Einstein, esto deberían haber ocurrido alrededor de tres horas antes de percibir el estallido de luz óptica y desde ese momento en adelante, los pulsos deberían haber ido parejos, ya que viajaban a la velocidad de la luz. Sin embargo, la luz óptica llegó aproximadamente 7,7 horas después que los neutrinos, es decir, con 4,7 horas de retraso.

El físico de la Universidad de Maryland cree que el retraso podría haber sido porque la luz se hacía de hecho más lenta a medida que viajaba por algo conocido como la 'polarización del vacío'. Durante este fenómeno, los fotones se descomponen en algo conocido como positrones y electrones por una fracción de segundo, antes de combinarse de nuevo, lo que podría afectar la energía de las partículas, causando la variación de velocidad.

Vídeo un experimento de la luz, el disco de Newton