¡La Velocidad de la Luz!

La luz se mueve tan rápidamente que nuestra experiencia cotidiana no nos induce a pensar que el valor de su velocidad pueda ser finito. Es comprensible, por tanto, que los científicos creyesen (o incluso diesen por sentado) hasta el siglo XVII que la luz se transmitía de forma instantánea.

La luz la podemos ver de muchas maneras, y, los rayos son una forma de radiación electromagnética que se forman con las tormentas. Los rayos son el elemento más espectacular de una tormenta eléctrica. Por otra parte, también la materia que resulta ser energía, y, cualquier clase de materia, en las debidas circunstancias puede emitir luz, es decir, emite cuantos de luz: fotones que es la manera de expresarse de la materia bariónica que es la que podemos ver y forman las estrellas, las galaxias y también a nnosotros los seres vivos “inteligentes”.

Isaac Beeckman, en 1629, sugirió determinar la velocidad de la luz observando el reflejo de un cañonazo en un espejo distante, y Galileo Galilei en 1638 diseñó un experimento basado en la medida del tiempo transcurrido en el intercambio de señales luminosas entre dos personas.

En ambos casos, es fácil ver que interviene el tiempo de respuesta del ser humano, un factor limitante que echó por tierra sus intentos. En efecto, la velocidad es la distancia recorrida por una entidaqd dividida por el tiempo que necesita para recorrerla. Si queremos realizar medidas de una velocidad muy elevada, necesitamos medir tiempos muy pequeños, o bien disponer de distancias muy grandes. Esta última opción indica que la Astronomía puede ofrecernos soluciones interesantes. Precisamente fue el astrónomo danés Röemer (1644–1710) quien calculó en 1676, a partir de los eclipses de las lunas de Júpiter, que la velocidad de la luz era aproximadamente 225.302 km/s.

La reflexión de la luz, es un fenómeno que se produce practicamente en todas las superficies a las que llega. Gracias a ese fenómeno es por lo que nosotros podemos ver la mayoría de las cosas que nos rodean: los árboles, las montañas, los animales y a las personas. Sin embargo, no todos los objetos reflejan la luz de la misma forma. Algunos la reflejan de manera más ordenada que otros. Tampoco la luz tiene la misma velocidad en todos los medios por los que puede correr.

Además como en la atmósfera hay turbulencias, la densidad del aire varía permanentemente, haciendo cambiar la dirección en que llegan los rayos de luz, con lo cual las estrellas parecen estar cambiando de posición. Este fenómeno se conoce como titilación.

También desde una perspectiva astronómica, el Físico inglés James Bradley utilizó la aberración estelar (el desplazamiento aparente de las estrellas debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol) para determinar la velocidad de la luz en el vacío, obteniendo un valor de 3.o1 x 10⁸ ms ^-1 respectivamente (e. g. French 1988).

Más adelante llegarían aportaciones desde distintos campos de la Física. Así, con ayuda de ruedas dentadas o espejos rotatorios, los franceses Hippolyte Fizeau (1849) y Léon Foucault (1862), y el estadounidense Albert Michelson (1929) hicieron uso de montajes ópticos para obeter respectivamente, los valores 3.15 x 10⁸ ns ^-1, (2.980 ± 0.005) x 10⁸ ms ^-1 y (2.991 ± 0.0005) x 10⁸ ms ^-s. A partir de la determinación precisa de las unidades de carga eléctrica y magnética, Kohlraush y Weber (1857), y Dosey y Rosa (1907) obtuvieron los valores 3.1070 x 10⁸ ms ^-1 y (2.9979 ± 0.0003) x 10⁸ ms ^-1 respectivamente (vid Froome y Essen 1969).

Albert Abraham Michelson (Strzelno, Polonia, 19 de diciembre de 1852-Pasadena, Estados Unidos, 9 de mayo de 1931), fue un físico, conocido por sus trabajos acerca de laa velocidad de la louz.  Recibió el Premio Nobel de Física en 1907.

El valor adoptado para la velocidad de la Luz

Más recientemente, se suceden los experimentos, con precisiones crecientes, hasta que, en 1983, se define el metro como la distancia recorrida por la luz en el vacío en un intervalo de tiempo de 1/299792458 de segundo. De esta manera, se adopta un valor fijo para la velocidad de la luz en el vacío que, resulta ser de 299.792.458 metros por segundo.

El equipo de este trabajo, formado por Ivan Marti-Vidal (actualmente en Max Planck-Institut für Radioastronomie, en Alemania ), Sergio Jiménez Monferrer y Carlos Cruz Molina (del Departamento de Astronomía y Astrofísica de la Universidad de Valencia, finalizan el trabajo (del que he omitido toda la parte técnica, ecuaciones y explicaciones más engorrosas) diciendo:

“Hemos estimado la velocidad de la luz en el vacío usando un método observacional basado en el cronometraje de las ocultaciones de la luna joviana Ío, producida durante la primavera de 2007. Este método de medida es esencialmente el mismo similar al utilizado por Ole Römer en el año 1677, si bien nuestro método es una modernización del de Römer en varios aspectos, tanto en la toma de datos (con cronómetro), como en el tratamiento y análisis (ajustando los intervalos de tiempo entre ocultaciones con el método de mininos cuadrados). El valor estimado de esta manera para la velocidad de la luz es (2.85 ± 0.09) 10⁸ ms ^-s, un valor a poco más de una desviación estándar (1 sigma) del real.

Tanto el método observacional como el fundamento teórico en que éste se basa son bastante sencillos. Este experimento puede ser realizado sin problema a nivel de Instituto, sin requerir material de alto coste (sólo un  modesto telecopio y un reloj).

Aunque el trabajo está adornado y contiene algún que otro anexo, la base principal está en el trabajo publicado por los científicos antes mencionados en la Revista Española de Física, Volumen 24 nº 3 de 2010.

LA LUZ

De todos los fenómenos físicos, los relacionados con la luz posiblemente sean los más fascinantes e intrigantes. Las preguntas ¿qué es la luz?, ¿cómo es posible la visión?, ¿qué son los colores?, ¿cómo se forman los arco iris?, etc. han preocupado al ser humano desde siempre, siendo la historia de los esfuerzos por responderlas un aspecto central de las ciencias físicas.
El estudio de la luz, denominado óptica, normalmente se divide en dos secciones: Propagación de la luz, en que se abordar la óptica sobre la base de la noción de rayo de luz (razón por la cual se denomina óptica geométrica) y Naturaleza de la luz, en el que se estudia la óptica considerando la luz como un fenómeno ondulatorio (en este caso hablaremos de óptica física).

A) La rapidez de la luz

Según las referencias históricas, quien primero intentó medir la rapidez de la luz fue Galileo Galilei (1564-1642) haciendo señales con una lámpara a otra persona situada a una distancia conocida. Si bien el método empleado por Galileo no era incorrecto, la gran rapidez con que viaja la luz, hacía impracticable el experimento.

El primero en medir esta rapidez, en 1675, fue el astrónomo danés el Olaf Römer (1644 – 1710) a través de la observación de los satélites de Júpiter. Ellos giran alrededor de este planeta demorando cierto tiempo en completar una órbita. Cuando el planeta se encuentra más alejado de la Tierra, el movimiento de sus satélites parece retrasarse debido a que la luz que proviene de ellos demora más tiempo en recorrer una distancia mayor. La precisión obtenida con este método no fue muy buena, pero tuvo el mérito de probar que la luz no se propagaba de forma instantánea.

En 1849, Hippolyte Fizeau (1819 – 1896) mide la velocidad de la luz dentro de un laboratorio. Su método consistió en interceptar un rayo de luz reflejado en un espejo con los dientes de una rueda giratoria. El resultado de las mediciones indicaba que la luz tendría una rapidez de 313.274 km/s en el aire. Años más tarde, en 1880, el físico estadounidense Albert Michelson (1852-1931) logra mayor exactitud con una técnica similar. Su método consiste en hacer girar con la rapidez exacta un sistema de espejos en el que se refleja un rayo de luz. Hoy se define la rapidez de la luz, en el vacío, como 299.792.456 m/s y se la designa con la letra “c”. Para efectos de cálculo, a menos que se indique algo diferente, empleamos la aproximación c = 3 x 10⁸ m/s. Del mismo modo, aunque en el aire esta velocidad es levemente menro, también se emplea el mismo valor que par el vacío.

B) Los fenómenos de luz y sombra

Solamente mirando el borde de un objeto, como el marco de una puerta o una regla, sabemos si éste se ajusta o no a una recta. ¿Por qué? Porque intuitivamente partimos del hecho de que la luz se propaga en línea recta. Otra evidencia de su propagación rectilínea surge del análisis de las sombras. Si un punto P emite luz, una esfera opaca Q producirá en una pantalla o telón una sombra circular, tal como se ilustra en la figura.

Por otra parte, una mitad de la esfera estará iluminada y la otra estará sumida en la oscuridad. Si la fuente no es puntual, como se aprecia en la figura, veremos además una zona de penumbra.

Estos fenómenos de luz, sombra y penumbra son bastante habituales en la vida diaria, pero donde resultan espectaculares es en el ámbito astronómico, particularmente en el caso de los eclipses. En efecto, el día y la noche, las fases de la Luna y los eclipses de Sol y de Luna son fenómenos de luz y sombra. Las siguientes figuras ilustran estos fenómenos.

Fases Lunares

Las diferentes fases lunares para un observador en la Tierra, corresponden a la forma en que este satélite es iluminado por el Sol,

Eclipses

En la figura se observa como la luna proyecta su sombra sobre la Tierra,  generando un eclipse de Sol.

Cuando la Tierra proyecta su sombra sobre la Luna, oscureciéndola, estamos frente a un eclipse lunar.

Otro hecho que pone en evidencia la propagación rectilínea de la luz es la cámara oscura. Como es muy fácil de hacer, se recomienda que la construyas y realices algunas observaciones y experimentos con ella. Como se ilustra en la figura, basta una caja de cartón y un pedazo de papel diamante.

Bajo el mismo principio de la cámara oscura funcionan el ojo y la cámara fotográfica. Las principales partes del ojo humano se ilustran en la siguiente figura.

C) La reflexión de la luz y los espejos

La luz se refleja prácticamente en todas las superficies a las que llega. Gracias a este fenómeno es que podemos ver la mayoría de las cosas que nos rodean: los árboles, las montañas, los muebles y las personas. Sin embargo, no todos los objetos reflejan la luz de la misma forma. Algunos la reflejan más ordenadamente que otros.

Creo que no hemos llegado a comprender lo que es realmente la luz. En ella, están guardados los misterios más importantes de la Naturaleza y, sospecho que, hasta la explicación más sencilla y real de la materia, está ahí en la luz escondida. Creo que todo en el Universo es Luz, la materia y la energía y… ¡la Vida! tqambién es una manifestación de la luz que, en definitiva, viene a ser la manifestación última y más alta del Universo, en ella están cómodamente instalados todos los secretos que tratamos de descubrir y que, hasta que no conozcamos lo que es la Luz, no podremos comprender el resto de las cosas.

emilio silvera

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