Somos polvo de estrellas

¿Qué es la velocidad de la luz?

velocidad de la luz - representacion

La velocidad de la luz viajando en el vacío es exactamente 299 792 458 metros (983 571 056 pies) por segundo. Eso es aproximadamente 186,282 millas por segundo, una constante universal conocida en las ecuaciones como «c», o la velocidad de la luz.

Según la teoría especial de la relatividad del físico Albert Einstein, en la que se basa gran parte de la física moderna, nada en el universo puede viajar más rápido que la luz.

La teoría establece que a medida que la materia se acerca a la velocidad de la luz, la masa de materia se vuelve infinita. Esto significa que la velocidad de la luz actúa como el límite de velocidad para todo el universo. La velocidad de la luz es tan invariable que, según el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU., se utiliza para definir medidas estándar internacionales como el metro (y por extensión, la milla, el pie y la pulgada). A través de algunas ingeniosas ecuaciones, también ayuda a definir el kilogramo y la unidad de temperatura Kelvin .

Pero a pesar de la reputación de la velocidad de la luz como una constante universal, los científicos y los escritores de ciencia ficción dedican tiempo a imaginar viajes más rápidos que la luz. Nadie ha sido capaz de demostrar un verdadero motor warp, pero eso no ha frenado nuestra búsqueda colectiva de nuevas historias, nuevos inventos y nuevas áreas de la física.

¿Qué es un año luz?

Un año luz es la distancia que la luz puede viajar en un año, aproximadamente 6 billones de millas (10 billones de kilómetros). Así es como los astrónomos y físicos miden grandes distancias en nuestro universo.

La luz viaja de la luna a nuestros ojos en aproximadamente 1 segundo, lo que significa que la luna está a aproximadamente 1 segundo luz de distancia. La luz del sol tarda unos 8 minutos en llegar a nuestros ojos, por lo que el sol está a unos 8 minutos luz de distancia. La luz de Alpha Centauri, el sistema estelar más cercano a nosotros, tarda unos 4,3 años en llegar aquí, lo que hace que Alpha Centauri esté a 4,3 años luz de distancia.

“Para tener una idea del tamaño de un año luz, tome la circunferencia de la Tierra (24,900 millas), colóquela en línea recta, multiplique la longitud de la línea por 7.5 (la distancia equivalente es un segundo luz) , luego coloque 31,6 millones de líneas similares una al lado de la otra»,  dice el Centro de Investigación Glenn de la NASA en su sitio web. «¡La distancia resultante es de casi 6 billones (6,000,000,000,000) de millas!

Las estrellas y otros objetos fuera de nuestro sistema solar varían desde unos pocos años luz hasta unos pocos miles de millones de años luz. Y todo lo que los astrónomos «ven» en el universo distante es literalmente historia. Cuando los astrónomos estudian objetos distantes, ven luz que muestra los objetos tal como eran cuando la luz los dejó.

Este principio permite a los astrónomos ver el Universo tal como era después del Big Bang, hace unos 13.800 millones de años. Los objetos a 10 mil millones de años luz de distancia de nosotros aparecen para los astrónomos como aparecían hace 10 mil millones de años, relativamente poco después del comienzo del universo, en lugar de como se ven hoy.

¿Cómo llegamos a la velocidad de la luz?

A Galileo Galilei se le atribuye el descubrimiento de las primeras cuatro lunas de Júpiter.

Aristóteles, Empédocles, Galileo (en la foto aquí), Ole Rømer y muchos otros filósofos y físicos a lo largo de la historia han pensado en la velocidad de la luz. (Crédito de la imagen: NASA)

Ya en el siglo V, filósofos griegos como Empédocles y Aristóteles no estaban de acuerdo sobre la naturaleza de la velocidad de la luz. Empédocles propuso que la luz, cualquiera que sea su composición, debe viajar y por lo tanto tener una velocidad de viaje. Aristóteles refutó la opinión de Empédocles en su propio tratado Sobre el sentido y la sensibilidad , argumentando que la luz, a diferencia de los sonidos y los olores, debe ser instantánea. Aristóteles estaba equivocado, por supuesto, pero tomaría cientos de años probarlo.

A mediados del siglo XVI, el astrónomo italiano Galileo Galilei colocó a dos personas en colinas a menos de una milla de distancia. Cada persona sostenía una linterna blindada. Uno descubrió su linterna; Cuando la otra persona vio el destello, también reveló el suyo. Pero la distancia experimental de Galileo no fue suficiente para que sus participantes registraran la velocidad de la luz. Solo pudo concluir que la luz viaja al menos diez veces más rápido que el sonido.

En la década de 1670, el astrónomo danés Ole Rømer estaba tratando de crear una línea de tiempo confiable para los marineros en el mar y accidentalmente se le ocurrió una nueva mejor estimación de la velocidad de la luz, según la NASA . Para crear un reloj astronómico, registró el momento exacto de los eclipses de la luna Io de Júpiter desde la Tierra. Con el tiempo, Rømer observó que los eclipses de Io a menudo se desviaban de sus cálculos. Observó que los eclipses parecían tardar más cuando Júpiter y la Tierra se estaban separando, aparecían temprano cuando los planetas se acercaban y aparecían a tiempo cuando los planetas estaban más cerca o más lejos. Esta observación reveló lo que ahora conocemos como el efecto Doppler, el cambio en la frecuencia de la luz o el sonido emitido por un objeto en movimiento, que se manifiesta en el mundo astronómico como lo que se conoce como corrimiento al rojo, el «más rojo», longitudes de onda más largas. en acelerar objetos lejos de nosotros. En un salto de intuición, Rømer determinó que se necesitaba un tiempo ligero y mensurable para viajar de Io a la Tierra.

Rømer usó sus observaciones para estimar la velocidad de la luz. Como el tamaño del sistema solar y la órbita de la Tierra aún no se conocían con precisión, un artículo de 1998 en el American Journal of Physics afirmó que estaba equivocado. Pero finalmente, los científicos tenían una serie con la que trabajar. El cálculo de Rømer situó la velocidad de la luz en unas 124 000 millas por segundo (200 000 km/s).

En 1728, el físico inglés James Bradley hizo un nuevo conjunto de cálculos basados en cambios en las posiciones aparentes de las estrellas a medida que la Tierra giraba alrededor del sol. Estimó que la velocidad de la luz era de 185 000 millas por segundo (301 000 km/s), exactamente alrededor del 1 % del valor real, según la Sociedad Estadounidense de Física .

Dos intentos más a mediados de 1800 trajeron el problema a la tierra. El físico francés Hippolyte Fizeau dirigió un haz de luz hacia una rueda dentada que giraba rápidamente, usando un espejo colocado a 8 km de distancia para reflejarlo de regreso a su fuente. Al variar la velocidad de la rueda, Fizeau pudo calcular el tiempo que le tomó a la luz viajar desde el agujero hasta el espejo cercano y regresar a través del espacio. Otro físico francés, Léon Foucault, usó un espejo giratorio en lugar de una rueda para realizar esencialmente el mismo experimento. Los dos métodos independientes se acercaron a la velocidad de la luz a unas 1.000 millas por segundo (1.609 km/s).

El 15 de agosto de 1930, el Dr. Albert A. Michelson en Santa Ana, California, junto al tubo de vacío de una milla de largo que se usaría para su medición final y más precisa de la velocidad de la luz.

El 15 de agosto de 1930, el Dr. Albert A. Michelson en Santa Ana, California, junto al tubo de vacío de una milla de largo que se usaría para su medición final y más precisa de la velocidad de la luz. (Crédito: Getty/Bettman)

Otro científico que profundizó en el misterio de la velocidad de la luz fue el polaco Albert A. Michelson, quien creció en California durante la fiebre del oro del estado y agudizó su interés por la física mientras asistía a la Academia Naval de EE. UU., según la Universidad de Virginia. . En 1879 intentó reproducir el método de Foucault para determinar la velocidad de la luz, pero Michelson aumentó el espacio entre los espejos y utilizó espejos y lentes de muy alta calidad. El resultado de Michelson de 186 355 millas por segundo (299 910 km/s) fue aceptado como la medida más precisa de la velocidad de la luz en 40 años, hasta que Michelson la volvió a medir. En su segunda ronda de pruebas, Michelson pasó entre dos picos de montañas a distancias cuidadosamente medidas para obtener una estimación más precisa. Y en su tercer intento, poco antes de su muerte en 1931, según la revista Air and Space del Smithsonian, construyó un tubo de acero corrugado sin presión de una milla de largo. El tubo simuló un cuasi-vacío que eliminaría cualquier influencia del aire sobre la velocidad de la luz para una medición aún más precisa que resultó ser solo un poco más baja que la velocidad de la luz aceptada hoy.

Michelson también ha estudiado la naturaleza de la luz en sí, escribió el astrofísico Ethan Siegal en el blog científico de Forbes Starts With a Bang . Las mentes más brillantes en física en el momento de los experimentos de Michelson estaban divididas: ¿era la luz una onda o una partícula?

Michelson, junto con su colega Edward Morley, supuso que la luz, como el sonido, viaja como una onda. Y así como el sonido necesita partículas para moverse, argumentaron Michelson, Morley y otros físicos de la época, la luz necesita algún tipo de medio para viajar. Este material invisible e indetectable fue apodado «éter luminoso» (también llamado «éter»).

Aunque Michelson y Morley construyeron un interferómetro sofisticado (una versión muy simple del instrumento que se usa actualmente en las instalaciones de LIGO), Michelson no encontró evidencia de éter brillante. La luz, descubrió, puede y lo hace a través del vacío.

«El experimento fue tan innovador, y todo el trabajo de Michelson, que fue la única persona en la historia en recibir un Premio Nobel por un fracaso muy específico en descubrir algo», escribió Siegal. «El experimento en sí puede haber sido un completo fracaso, pero lo que aprendimos de él fue de mayor beneficio para la humanidad y nuestra comprensión del universo de lo que hubiera sido cualquier éxito completo».

La relatividad especial y la velocidad de la luz

Albert Einstein en la pizarra.

Albert Einstein en la pizarra. (Crédito de la imagen: NASA)

La teoría especial de la relatividad de Einstein combina la energía, la materia y la velocidad de la luz en una famosa ecuación: E = mc^2. La ecuación describe la relación entre masa y energía: pequeñas cantidades de masa (m) contienen o consisten en una gran cantidad inherente de energía (E). (Eso es lo que hace que las bombas atómicas sean tan poderosas: convierten la masa en ráfagas de energía). Dado que la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado, la velocidad de la luz sirve como factor de conversión y explica exactamente cuánta energía debe haber en la materia. . Y debido a que la velocidad de la luz es un número tan grande, incluso pequeñas cantidades de masa deben significar grandes cantidades de energía.

Para describir con precisión el universo, la elegante ecuación de Einstein requiere que la velocidad de la luz sea una constante invariable. Einstein afirmó que la luz viaja en el vacío, no en un éter luminoso, de modo que viaja a la misma velocidad independientemente de la velocidad del observador.

Piénselo de esta manera: los observadores sentados en un tren pueden ver un tren moviéndose a lo largo de una vía paralela y considerar que su movimiento relativo a sí mismo es cero. Pero los observadores que se mueven cerca de la velocidad de la luz aún percibirían la luz alejándose de ellos a más de 670 millones de millas por hora. (Eso se debe a que moverse muy, muy rápido es uno de los pocos métodos comprobados de viaje en el tiempo: el tiempo en realidad se ralentiza para los observadores que envejecen más lentamente y perciben menos momentos que un observador que se mueve lentamente).

En otras palabras, Einstein sugirió que la velocidad de la luz no varía con el tiempo ni con el lugar donde la mides, ni con la rapidez con la que te mueves.

Por lo tanto, los objetos con masa nunca pueden alcanzar la velocidad de la luz. Si un objeto alguna vez alcanzara la velocidad de la luz, su masa se volvería infinita. Y con eso, la energía necesaria para mover el objeto también sería infinita: una imposibilidad.

Es decir, si basamos nuestra comprensión de la física en la relatividad especial (que es lo que hacen la mayoría de los físicos modernos), la velocidad de la luz es el límite de velocidad inmutable de nuestro universo, lo más rápido que puede alcanzar cualquier cosa.

¿Qué es más rápido que la velocidad de la luz?

Aunque la velocidad de la luz a menudo se llama el límite de velocidad del universo, el universo se está expandiendo aún más rápido. El universo se expande a poco más de 68 kilómetros por segundo por cada megaparsec de distancia del observador, escribió el astrofísico Paul Sutter en un artículo anterior de Space.com. (Un megaparsec son 3,26 millones de años luz, un camino muy largo).

En otras palabras, una galaxia de 1 megaparsec parece alejarse de la Vía Láctea a una velocidad de 42 millas por segundo (68 km/s), mientras que una galaxia de 2 megaparsec se aleja a casi 86 millas por segundo (136 km). . . /s). s). . s) y así sucesivamente.

«En algún momento, a una distancia obscena, la velocidad inclinará la balanza y superará la velocidad de la luz, todo desde la extensión natural y constante del espacio», explicó Sutter. «Parece que debería ser ilegal, ¿no?»

La relatividad especial proporciona un límite absoluto para las velocidades en el universo, según Sutter, pero la teoría de la relatividad general de Einstein de 1915 permite un comportamiento diferente cuando la física que estás estudiando ya no es «local».

“¿Una galaxia al otro lado del universo? Este es el reino de la relatividad general, y la relatividad general dice: ¡a quién le importa! Esta galaxia puede tener la velocidad que desee, siempre que se mantenga lejos y no lo mire cerca de usted”, escribió Sutter. “A la relatividad especial no le importa la velocidad, superlumínica o de otro tipo, de una galaxia distante. Y tú tampoco».

¿La luz alguna vez se atenúa?

La luz viaja más lentamente a través del diamante que el aire. Pero la luz viaja un poco más lento en el aire que en el vacío.

La luz viaja más lento cuando pasa a través de un diamante que cuando viaja a través del aire, y viaja a través del aire un poco más lento que en el vacío. (Crédito de la imagen: Shutterstock)

La luz en el vacío generalmente viaja a una velocidad absoluta, pero la luz que pasa a través de cualquier material puede disminuir su velocidad. La cantidad por la cual un material reduce la velocidad de la luz se llama índice de refracción. La luz se difracta cuando entra en contacto con partículas, lo que hace que la velocidad disminuya.

Por ejemplo, la luz que atraviesa la atmósfera de la Tierra viaja casi tan rápido como la luz en el vacío y solo se ralentiza a tres diezmilésimas de la velocidad de la luz. Pero la luz que pasa a través de un diamante se ralentiza a menos de la mitad de su velocidad típica, informó PBS NOVA . Sin embargo, cruza la gema a más de 277 millones de mph (casi 124 000 km/s), lo suficiente como para marcar la diferencia, pero sigue siendo increíblemente rápido.

Según un estudio de 2001 publicado en la revista Nature , la luz puede quedar atrapada, o incluso detenerse, en nubes atómicas ultrafrías. Más recientemente, un estudio de 2018 publicado en la revista Physical Review Letters propuso una nueva forma de detener la luz en «puntos excepcionales», o lugares donde se cruzan dos emisiones de luz separadas y solo a.

Los investigadores también intentaron reducir la velocidad de la luz incluso cuando viajaba en el vacío. Un equipo de científicos escoceses logró ralentizar un solo fotón, o partícula de luz, incluso viajando en el vacío, como detalla su estudio de 2015 publicado en la revista Science . En sus mediciones, la diferencia entre el fotón retrasado y un fotón «normal» fue de solo unas pocas millonésimas de metro, pero mostró que la luz en el vacío puede ser más lenta que la velocidad oficial de la luz.

¿Podemos viajar más rápido que la luz?

A la ciencia ficción le gusta la idea de la «velocidad warp». Los viajes más rápidos que la luz permiten innumerables franquicias de ciencia ficción, condensan las vastas extensiones del espacio y permiten que los personajes salten fácilmente entre sistemas estelares.

Pero aunque no se garantiza que el viaje FTL sea imposible, tendríamos que recurrir a una física bastante exótica para que funcione. Afortunadamente para los fanáticos de la ciencia ficción y los físicos teóricos, hay muchas vías para explorar.

Todo lo que tenemos que hacer es descubrir cómo no movernos, ya que la relatividad especial garantizaría que seríamos destruidos mucho antes de que alcancemos una velocidad lo suficientemente alta, sino mover el espacio que nos rodea. ¿en la medida?

Una idea propuesta involucra una nave espacial que podría plegar una burbuja de espacio-tiempo alrededor de sí misma. Suena bien, tanto en la teoría como en la ficción.

«Si el Capitán Kirk se viera obligado a moverse a la velocidad de nuestros cohetes más rápidos, le llevaría cien mil años llegar al sistema estelar más cercano», dijo Seth Shostak, astrónomo del Instituto SETI (Búsqueda de Inteligencia Extraterrestre). . en Mountain View, California, en una entrevista de 2010 con el sitio asociado de Space.com LiveScience. «Entonces, la ciencia ficción ha ofrecido durante mucho tiempo una forma de superar la barrera de la luz para que la historia pueda avanzar un poco más rápido».

Sin viajes FTL, Star Trek (o Star War) sería imposible. Si la humanidad llega a los rincones más lejanos y en constante expansión de nuestro universo, dependerá de los físicos del futuro ir audazmente a donde nadie ha llegado antes.

Recursos adicionales

Para obtener más información sobre la velocidad de la luz, consulte esta divertida herramienta de Academo , que le permite visualizar qué tan rápido puede viajar la luz de un lugar a otro en la Tierra. Si está más interesado en otros números importantes, visite el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología para obtener más información sobre las constantes universales que definen los sistemas de medición estándar en todo el mundo.

Pero, ¿Sabias que nadie ha podido medir realmente la velocidad de la luz?

El Dr. Derek Muller, que tiene el canal de YouTube Veritasium, hizo un análisis interesante al respecto y lo plasmo en el siguiente video

 

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Harold

Harold

Entusiasta del SEO, fundador del grupo Astronomía, Cosmos y Ciencia para todos en Facebook. Arquitecto de Software, programador, amante del marketing, la tecnología y la ciencias. Admiro a Carl Sagan, Nikola Tesla, Alan Turing, Giordano Bruno, Tales de Mileto, Arquímedes, Newton, Einstein, Faraday, Harold Urey, Stanley Miller, Christian Huygens, Hipatia de Alejandría, Nikolái Vavilov y muchos mas!

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