velocidadluz 93KB Jun 22 2010 01:09:40 PM

Institución: Departamento de Física, Facultad de Ciencia, Universidad de
Santiago de Chile
Título:
Medición de la Velocidad de la Luz
Introducción. Desde que el hombre apareció sobre la faz de la tierra, la existencia
de la luz y los fenómenos asociados a ella le han llamado la atención. Por largo
tiempo, la luz fue un fenómeno misterioso y son los antiguos Griegos quienes por
primera vez discuten sobre cómo se mueve la luz. Aunque, Empedocles (492-432,
a.C.) estaba en el camino cierto al postular que la luz del sol se debía demorar un
cierto tiempo en alcanzar la tierra, finalmente, se impuso la idea de Aristóteles
(384-322, a.C.) quien consideraba que la luz “era instantánea”.
Las discusiones habrían continuado sin fin, de no ser por Galileo (1564 - 1642),
quien desestimó la suposición de instantaneidad de la velocidad de la luz y propuso
un método para determinar la velocidad de ésta.
El método para medir la velocidad de la luz (c) y su valor actual. En el
método de Galileo, dos observadores con lámparas encendidas - pero cubiertas – se
separan una distancia conocida. Uno descubre su lámpara y el segundo observador
inmediatamente de percibida la luz, descubre la suya. Si los observadores miden el
tiempo transcurrido, entonces pueden calcular la velocidad de acuerdo a la formula:
velocidad = espacio recorrido / tiempo empleado en recorrerlo
El mismo Galileo, trabajando a distancias de separación de alrededor de 1.000
metros no pudo detectar retardo alguno. Esto lo llevó a sugerir que la luz viajaba a
lo menos diez veces más rápido que el sonido. Hoy que sabemos que el valor de la
velocidad de la luz es muy grande (ver más abajo), entendemos porque Galileo no
detecto ningún retardo en el tiempo, ya que la luz recorre los 1.000 metros en 3,3
millonésimas de segundo (3,3 x10-6 s). Medir tiempos tan breves en el Siglo XVII
era imposible.
El valor actual de la velocidad de la luz (c) fue adoptado en la Conferencia General
de Pesos y Medidas del año 1983 y es de c = 299.792.458 metros por segundo,
es decir cerca de 300 millones de metros por segundo o 3 x 108 m s-1. Este se
considera un valor exacto y con ayuda de él se define la unidad de longitud
denominada metro. Un metro es la distancia que recorre la luz en el vacío en el
lapso de tiempo de 1 / 299 792 458 de segundo.
Las primeras mediciones de c. El primer valor confiable de la velocidad de la luz,
no pertenece al método terrestre – de los pulsos de luz – ya descrito. Ese valor se
dedujo a partir de observaciones astronómicas en que se estudiaban los tiempos de
rotación de los satélites de Júpiter. El poder determinar la velocidad de un rayo de
luz viajando entre dos puntos en la tierra se mantenía aun como un desafío para la
comunidad científica del Siglo XIX.
Alrededor de 1850 y casi en forma simultanea, fueron implementadas en Francia
dos técnicas muy similares para medir por primera vez en “tierra” el valor de la
velocidad de la luz. Detalles de estas mediciones se pueden ver junto a los
experimentos aquí presentados.
El primero en tener éxito fue Armande Fizeau
(1819 – 1896), quien utilizando una rueda
dentada a través de la cual un rayo de luz
salía y volvía después de rebotar en un espejo
lejano, reportó un valor algo mayor que el
aceptado actualmente.
Diagrama Método de Fizeau
Luego, unos meses más tarde, Jean Foucault (1819 – 1868) utilizando espejos
rotatorios (en lugar de la rueda) reporto a la Academia de Ciencias que la velocidad
de la luz en el agua era menor que en el aire.
La técnica de espejos rotatorios fue refinada posteriormente por otros
investigadores. Entre ellos Albert Michelson (1852 – 1931) quien en 1878 en
Maryland, Estados Unidos, empleando una mayor separación entre los espejos midió
el valor de c en forma más precisa.
La velocidad de la luz como constante y la teoría de la relatividad especial.
A fin de mejorar sus mediciones Michelson desarrolló un instrumento denominado
interferómetro que hoy lleva su nombre. Posteriormente, junto a Edward Morley
(1838- 1923) realizaron experimentos para detectar la presencia del “éter” ó medio
que (se suponía) llenaba todo el universo y a través del cual la luz se propagaba.
Sus resultados cada vez más perfectos, pero siempre negativos, no poseían
explicación en términos de la física clásica de Newton.
Por esa época, en 1864 James C. Maxwell (1831- 1879) formuló matemáticamente
una teoría que reunía todos los resultados conocidos sobre electricidad y
magnetismo. Las cuatro ecuaciones de Maxwell (como se las conoce) sintetizaban
las propiedades e interrelaciones entre electricidad y magnetismo, pero además,
predecían la existencia de ondas electromagnéticas, así como también de su
velocidad. Estas ondas fueron generadas y detectadas por primera vez en 1887 por
Heinrich Hertz (1857- 1884).
La velocidad de estas ondas en el vacío era coincidente con los valores medidos de
la velocidad de la luz. Así, se concluyó entonces, que la luz no era otra cosa que una
onda electromagnética en el rango de longitudes de onda “visible” para nosotros.
Sin embargo, algo estaba mal en los fundamentos de la física, ya que los resultados
de la teoría de Newton de la Mecánica Clásica, y los resultados de la teoría del
Electromagnetismo de Maxwell eran incompatibles e irreconciliables.
Esto llevó a Albert Einstein a proponer la teoría especial de la relatividad en 1905 en
un artículo titulado “Sobre la electrodinámica de cuerpos móviles” donde aparece su
famoso segundo postulado de que la velocidad de las ondas electromagnéticas en el
vacío es constante. En este trabajo Einstein probó que las ecuaciones de Maxwell
eran consistentes con el recién introducido principio de la relatividad y con la
constancia de la velocidad de la luz para todos los observadores inerciales.