Unidades SI | metros por segundo ( m / s o m s -1 ) |
---|---|
Otras unidades | CGS : centímetro por segundo ( cm / s o cm s -1 ) |
Dimensión | |
Naturaleza | Cantidad escalar |
Símbolo habitual | vs |
Valor | 299,792,458 m / s |
La velocidad de la luz en el vacío , comúnmente conocida como c para " celeridad ", es una constante física universal y una invariante relativista ( velocidad límite de las teorías relativistas ), importante en muchos campos de la física . Su valor exacto es 299792458 m / s (aproximadamente 3 × 10 8 m / s o 300 000 km / s ). Según la relatividad especial , la velocidad de la luz en el vacío es la velocidad máxima que puede alcanzar cualquier forma de materia o información en el universo .
Si bien esta velocidad se asocia con mayor frecuencia con la luz , define de manera más amplia la velocidad de todas las partículas sin masa y los cambios en sus campos asociados en el vacío (incluidas la radiación electromagnética y las ondas gravitacionales ). Estas partículas y ondas viajan a una velocidad c independientemente del movimiento de la fuente emisora o del marco de referencia del observador. En la teoría de la relatividad , c se usa para vincular el espacio y el tiempo , y también aparece en la famosa ecuación masa-energía E = mc 2 .
La velocidad de la luz no es la misma en todos los medios y viaja a través de materiales transparentes (como vidrio, aire, agua) a una velocidad menor que c . La relación de c a v (velocidad en un medio) corresponde al índice de refracción n del medio ( n = c / v ). Por ejemplo, el vidrio tiene un índice de refracción cercano a 1.5, lo que significa que la luz en el vidrio viaja a c / 1.5 ≈ 200,000 km / s ; el índice de refracción del aire para la luz visible es de aproximadamente 1.0003, por lo que la velocidad de la luz en el aire es de aproximadamente 299.700 km / s .
En la vida cotidiana, la luz (y otras ondas electromagnéticas) parecen propagarse instantáneamente, pero en los cálculos a grandes distancias su velocidad tiene efectos notables. En las comunicaciones con sondas espaciales, por ejemplo, un mensaje puede tardar desde unos minutos hasta unas horas en llegar a la sonda. Asimismo, la luz de las estrellas ha dejado estas estrellas durante mucho tiempo, por lo que podemos estudiar la historia del universo observando estos objetos distantes: "cuanto más miramos, más miramos en el pasado" . La velocidad finita de la luz también limita la velocidad máxima teórica de las computadoras , porque la información enviada de un chip a otro toma un tiempo finito incompresible.
En 1676, Ole Rømer fue el primero en demostrar que la luz viaja a una velocidad finita al observar el movimiento aparente y las emersiones de la luna de Júpiter , Io . A pesar del rigor de sus observaciones, muchos científicos siguen siendo escépticos ante este resultado. Al observar el fenómeno de la aberración estelar , que se explica teniendo en cuenta, respectivamente, la velocidad de la luz de una estrella observada y la velocidad de rotación de la Tierra alrededor del Sol, James Bradley confirmó sin embargo en 1729 el resultado de Rømer y logró dar es un valor aceptable. En 1810, la experiencia del francés Arago demuestra que la velocidad de la luz es constante (siempre la misma). En 1865, James Clerk Maxwell definió la luz como una onda electromagnética y su velocidad de movimiento como c (notación presente por primera vez en su teoría sobre el electromagnetismo). En 1905, Albert Einstein postuló que la velocidad de la luz, c , es, en cualquier marco de referencia, una constante y es independiente del movimiento de la fuente de luz. Explora las consecuencias de este postulado al describir la teoría de la relatividad y, al hacerlo, muestra que el parámetro c es relevante incluso fuera de los contextos de la luz y el electromagnetismo.
Después de siglos de mediciones mejoradas, en 1975 la velocidad de la luz se estimó en 299.792.458 m / s con una incertidumbre de medición de alrededor de 1 m / s . En 1983, el metro fue redefinido en el Sistema Internacional de Unidades (SI) como la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1/299 792 458 segundos ; por lo tanto, el valor numérico de c en metros por segundo es ahora exacto, como resultado de la definición del metro.
El nombre de esta constante es a menudo una fuente de confusión. Es importante comprender que la velocidad de la luz no es una constante física en sí misma : coincide con la constante física.vssiempre que los fotones tengan una masa idéntica a cero y que la propagación tenga lugar en vacío absoluto.
Además, es necesario definir con cuidado la velocidad de la que estamos hablando. De hecho, cuando se emite un pulso de luz, la descripción de su propagación puede involucrar diferentes nociones como velocidad de fase (velocidad de propagación de un componente espectral monocromático), velocidad de grupo (velocidad de propagación del máximo de l pulso de luz, a veces erróneamente considerada como la velocidad de propagación de la información), la velocidad del frente de onda (velocidad del punto inicial de la onda), etc. En realidad, no siempre tiene un significado físico simple; puede ser mayor quevso incluso negativo; la velocidad del transporte de energía no se puede medir directamente y también plantea problemas de simple significado físico.
Según Sylvan C. Bloch, se pueden utilizar al menos ocho velocidades diferentes para caracterizar la propagación de la luz, a saber: las velocidades (1) de fase, (2) de grupo, (3) de energía, (4) señal, ( 5) constante de tasa relativista , (6) tasa de relación unitaria, (7) velocidad central y (8) tasa de correlación. En el vacío, todas estas velocidades son iguales a la constantevs, pero en otro medio, solo la velocidad del frente de onda mantiene este valor.
Estrictamente hablando, la cuestión de la constancia de la velocidad de la luz en el vacío, observada por los cuantos de energía transportados por los fotones, no puede resolverse por completo, ya que es teóricamente posible que los fotones tengan una masa distinta de cero: las mediciones solo pueden limitar esta masa hipotética y no demostrar que es rigurosamente cero. Sin embargo, incluso si se probara que los fotones tienen una masa, esto no cuestionaría el principio de la constantevs, sino que daría un límite de precisión de su observabilidad en los modelos de referencia; mantendríamos con c un límite de velocidad absoluto que los fotones observados no podrían alcanzar en el vacío.
La velocidad de la luz en el vacío se denomina comúnmente c , inicial de constante y velocidad . Su velocidad en cualquier otro medio se indica comúnmente v , velocidad inicial .
Breve historiaEl símbolo V fue utilizado para la velocidad de la luz por James Clerk Maxwell en 1865 . En 1856 , Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch usaron c para denotar otra constante igual a la velocidad de la luz en el vacío multiplicada por la raíz cuadrada de dos . En 1894 , Paul Drude redefinió c como el símbolo de la velocidad de las ondas electromagnéticas. En 1905 , Albert Einstein usó V en sus publicaciones sobre relatividad especial . Pero, en 1907 , optó por c .
Notaciones alternativasAlgunas veces se anota la velocidad de la luz en un medio transparente c . Su velocidad en el vacío se anota entonces c 0 , de acuerdo con la recomendación de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas . El índice 0 indica que el medio es el vacío, como en las notaciones habituales de la permeabilidad magnética del vacío μ 0 , de la permitividad dieléctrica del vacío ε 0 (tenemos ε 0 μ 0 c 0 2 = 1 ) y de l ' impedancia del espacio libre Z 0 .
En el análisis dimensional , la velocidad de la luz, en el vacío o en un medio, tiene la dimensión de una velocidad.
Su ecuación dimensional es:
[ c ] = [ V ] = LT -1 .En el Sistema Internacional de Unidades , se expresa en metros por segundo ( m s −1 ).
Desde 1983 , la velocidad de la luz en el vacío es exacta, según la definición del metro . Esto se define como "la longitud del camino recorrido en el vacío por la luz durante un período de 1/299 792 458 segundos " , la velocidad de la luz en el vacío es la siguiente:
Podemos recordar el valor de vssustituyendo cada palabra de la siguiente frase por el número de letras que la componen: "La constante luminosa permanecerá a partir de ahora, en tu cerebro" , es decir 2 9 9 7 9 2 4 5 8 m / s .
En unidades geométricas y de Planck , la velocidad de la luz en el vacío se reduce, por definición, a uno: c = 1 .
Año | Autor (es) | Técnico | Valor (en km / s) |
Incertidumbre (en km / s) |
Referencias) |
---|---|---|---|---|---|
<1638 | Galileo | Linternas enmascaradas | Poco concluyente | - | |
<1667 | Accademia del Cimento | Linternas enmascaradas | Poco concluyente | - | |
1675 | Ole Rømer y Christiaan Huygens | Observación de las lunas de Júpiter | 220.000 | ? | |
1729 | James bradley | Aberración de la luz | 301.000 | ? | |
1849 | Hippolyte Fizeau | Rueda dentada | 315.000 | ? | |
1862 | León Foucault | Espejo giratorio | 298.000 | 500 | |
1907 | Bennett Rosa y Noah Dorsey | Constantes electromagnéticas | 299,710 | 30 | |
1926 | Albert A. Michelson | Espejo giratorio | 299,796 | 4 | |
1950 | Louis Essen y Albert Gordon-Smith | Cavidad resonante | 299.792,5 | 3,0 | |
1958 | KD Froome | Interferometría de radio | 299.792,50 | 0,10 | |
1972 | Evenson y col. | Interferometría láser | 299.792.456 2 | 0,001 1 | |
1978 | Woods, Shotton y Rowley | Interferometría láser | 299,792,458 8 | 0,000 2 | |
1983 | Conferencia General de Pesos y Medidas (definición del medidor) | 299,792,458 | 0 (por construcción) |
La historia de las mediciones de la velocidad de la luz tiene no menos de doce métodos para determinar el valor de c . Tras las especulaciones de Empédocles , Alhazen o Roger Bacon , y los desafortunados intentos de Galileo con ayudantes desenmascarando linternas, la primera estimación experimental se debe al astrónomo danés Ole Christensen Rømer : al estudiar el ciclo de eclipses de Io , satélite de Júpiter , encuentra que cuarenta revoluciones observadas durante una cuadratura de Júpiter con la Tierra se desplazan en el tiempo en comparación con otras cuarenta observadas cuando los dos planetas están más cerca. Él deduce que cuando Júpiter y la Tierra están en posiciones opuestas con respecto al sol, la luz de Júpiter tarda 22 minutos más en llegar a nosotros que cuando los dos planetas están más cerca, este retraso corresponde al tiempo adicional de viaje de la luz del planeta. diámetro de la órbita de la Tierra.
En Septiembre 1676, predice así para una emersión de Io, un retraso de 10 minutos (observado el 9 de noviembre ) en comparación con la tabla establecida por Cassini . Por lo tanto, la luz tardó 11 minutos en recorrer el radio de la órbita de la Tierra, pero este radio era poco conocido, las mediciones se dispersaron entre 68 y 138 millones de kilómetros, todos valores falsos. Este trabajo se publica en el Journal des sçavans , la revista científica y literaria más antigua.
Rømer (que luego encontró 7 min ), Cassini, Newton y muchos otros mejoraron la precisión del tiempo de viaje, pero no fue hasta que Delambre analizó mil eclipses , repartidos en 140 años, para encontrar el valor de 8 min. 13 s ( el valor correcto es 8 min 19 s ).
El siguiente paso se lo debe James Bradley : en 1727, estudiando las variaciones de declinación de la estrella Gamma del Dragón , descubre el fenómeno de la aberración de la luz , debido a la combinación de la velocidad de la luz con la de la Tierra ; deduce que la velocidad de la luz es igual a 10.188 veces la de la Tierra. Pero la velocidad de la Tierra no se conocía bien, ya que depende del radio de su órbita.
La primera medida, independiente de otra medida, la hizo Hippolyte Fizeau , en 1849. Al operar entre Suresnes y Montmartre con un dispositivo de rueda dentada , encontró 315.000 km / s (por lo tanto aumentaron con un error de solo el 5%), un resultado ya impresionante para la época, así como la instrumentación construida por Gustave Froment , con una rueda compuesta por 720 dientes mecanizados a la centésima de milímetro más cercana.
Léon Foucault logra un nuevo avance con un dispositivo de espejo giratorio, que le permite operar sin salir del laboratorio. En 1850 demostró que la luz viaja más lentamente en el agua , de acuerdo con la teoría de las ondulaciones. En el Observatorio de París , enSeptiembre 1862, encuentra el valor de 298.000 km / s .
Entonces, las medidas (y métodos) se multiplicarán. Sin citarlos a todos:
Michelson se imaginó haciendo el experimento en el vacío . En 1929, se dedicó a construir un tubo de acero de una milla de largo cerca de Pasadena para la mejor experiencia. Murió en 1931 sin ver los resultados. A pesar de los errores de medición debidos a efectos geológicos y problemas de construcción del tubo, los resultados finales, 299.774 ± 11 km / s , coincidieron con las mediciones electroópticas en ese momento.
Tras la Segunda Guerra Mundial, el geodímetro , la cavidad resonante , el radar , el radiointerferómetro , la espectrometría de banda, y especialmente el láser , permitirán dar un salto de precisión:
Por esta última definición, la comunidad científica avala la definición de la velocidad de la luz en el vacío absoluto (un vacío teórico porque solo se aproxima y simula en los modelos experimentales actuales) como una constante universal, sobre la que se basan todas las medidas de espacio y tiempo.
También tiene la consecuente ventaja de que ya no se basa en las líneas espectrales de elementos atómicos (anteriormente una línea de kriptón 86 desde 1960, ya difícil de purificar y aislar en estados estables sobre muestras suficientemente significativas para obtener la precisión deseada), que en Al mismo tiempo, elimina por un lado las fuentes de imprecisión o incertidumbre relacionadas con las variedades isotópicas o subatómicas (que influyen en el ancho de las líneas espectrales aún medidas en la actualidad) y, por otro lado, la necesidad de reproducir con mayor precisión las condiciones de medición basadas en un método experimental. modelo (condiciones que ahora pueden evolucionar independientemente de esta definición y mejorar en precisión a un costo menor, dependiendo de los nuevos descubrimientos), en particular utilizando la medición de frecuencia (o equivalente) de longitudes de onda de líneas espectrales características (que quedan por estudiar para poner esta definición en practica).
Sin embargo, todavía presupone la existencia de un modelo experimental para establecer la definición del segundo, del que luego depende la del metro, ya que la velocidad de la luz en el vacío de la que también depende esta definición se establece ahora como una constante universal. Es de todos modos una mejora del sistema ya que se ha eliminado uno de los dos elementos de variabilidad, y también porque es en el campo de la medición del tiempo (o frecuencias) donde se ha obtenido el avance más importante. de precisión.
Una definición similar con respecto a la unidad de masa (o en una forma equivalente a la de energía) también podría eventualmente usar la definición de una constante universal, cuando el fenómeno de la gravitación será mejor conocido y controlado para especificar mejor la velocidad de la luz en un vacío no ideal (ya que el espacio y el tiempo están influenciados por la gravitación, que influye en la velocidad de la luz realmente medida en el vacío real que siempre se observa).
Según las teorías de la física moderna, y en particular las ecuaciones de Maxwell , la luz visible, e incluso la radiación electromagnética en general, tiene una velocidad constante en el vacío ; es esta velocidad la que llamamos la velocidad de la luz en el vacío .
Por tanto, es una constante física fundamental. Se nota c (del latín celeritas , “velocidad”). No solo es constante en todas partes (y a cualquier edad) en el Universo ( principios cosmológicos débiles y fuertes, respectivamente); también es constante de un marco inercial a otro ( Principio de relatividad ). En otras palabras, sea cual sea el marco de referencia inercial de un observador o la velocidad del objeto que emite la luz, cualquier observador obtendrá la misma medida.
La velocidad de la luz en el vacío se anota c (valor exacto recomendado desde 1975, que se ha vuelto exacto por definición desde 1983):
c = 299,792,458 metros por segundoEste valor es exacto por definición. De hecho, desde 1983 , el metro se define a partir de la velocidad de la luz en el vacío en el Sistema Internacional de Unidades , como la longitud de la trayectoria recorrida en el vacío por la luz durante un período de 1/299 792 458 de segundo . Esto significa que el medidor ahora está definido por el segundo, a través de la velocidad fijada para la luz.
Se podría objetar que la constancia de la velocidad de la luz sea cual sea la dirección, pilar de la física, es verdadera por construcción, por la elección de las definiciones de las unidades del sistema internacional. Esta objeción es falsa porque la elección de una definición del metro basada en el segundo y la luz es de hecho una consecuencia de la absoluta confianza de los físicos en la constancia de la velocidad de la luz en el vacío; esta confianza se expresó mientras que la definición del metro de 1960 se basó en un fenómeno radiativo independiente del que define al segundo.
Sin embargo, se ha sugerido en varias teorías que la velocidad de la luz puede haber variado con el tiempo . Aún no se ha sacado a la luz ninguna evidencia concluyente de tales cambios, pero sigue siendo un tema de investigación hasta el día de hoy.
La diferencia en la velocidad de propagación de la luz en diferentes medios está en el origen del fenómeno de refracción . La velocidad en un medio dado con respecto a la velocidad en el vacío es igual a la inversa del índice de refracción (este último depende por otro lado de la longitud de onda):
o :Sin embargo, generalmente se entiende que la velocidad de la luz, sin más especificaciones, es la velocidad de la luz en el "vacío".
Tenga en cuenta que si ningún objeto en ningún medio puede exceder la velocidad de la luz en el vacío, es posible exceder la velocidad de la luz en el mismo medio: por ejemplo, en el agua, los neutrinos van considerablemente más rápido que la luz (que a su vez se ralentiza considerablemente). ). En el caso de partículas cargadas, como electrones o positrones resultantes de la desintegración β , esto provoca el equivalente al boom supersónico de la luz, es el efecto Cherenkov el que "tiñe" de azul el fondo de las piscinas que contienen material radiactivo.
Finalmente, en un medio llamado birrefringente , la velocidad de la luz también depende de su plano de polarización . Este fenómeno tan particular se utiliza en una gran cantidad de campos, como en microscopía o para gafas de sol .
La velocidad de la luz en el vacío no es un límite de velocidad en el sentido convencional. Estamos acostumbrados a sumar velocidades, por ejemplo consideraremos normal que dos coches que viajan a 60 kilómetros por hora en direcciones opuestas se vean acercándose a una velocidad de 60 km / h + 60 km / h = 120 km / h . Y esta fórmula aproximada es perfectamente legítima para velocidades de este orden ( 60 km / h ≈ 16.67 m / s ).
Pero, cuando una de las velocidades se acerca a la de la luz en el vacío, un cálculo tan clásico se desvía demasiado de los resultados observados; de hecho, al final del XIX XX siglo , varios experimentos (en particular, la de Michelson ) y observaciones aparecen dejó una velocidad de la luz en el mismo vacío en todos los pasadores de inercia.
Minkowski , Lorentz , Poincaré y Einstein introdujeron esta pregunta en la teoría galileana y vieron la necesidad de reemplazar un principio implícito e inexacto por uno compatible con las observaciones:
Después de la conformación computacional, surgió que la nueva fórmula de composición incluía un término correctivo en 1 / (1 + v w / c 2 ) , del orden de 2.7 × 10 -10 solo a la velocidad del sonido .
El efecto se hace mayor cuando las velocidades superan c / 10 , y más y más notable a medida que v / c se acerca a 1: dos naves espaciales que viajan una hacia la otra a la velocidad de 0,8 c (en comparación con un tercer observador), no percibirán un velocidad de aproximación (o velocidad relativa ) igual a 1,6 c , pero solo 0,98 c (ver tabla al lado).
Este resultado viene dado por la transformación de Lorentz :
o :Por lo tanto, cualquiera que sea la velocidad a la que se mueve un objeto con respecto a otro, cada uno medirá la velocidad del pulso de luz recibido con el mismo valor: la velocidad de la luz; por otro lado, la frecuencia observada de radiación electromagnética transmitida entre dos objetos en movimiento relativo (así como el cuanto de energía asociado entre la radiación emitida y la radiación percibida por el objeto objetivo) será modificada por el efecto Doppler-Fizeau .
Albert Einstein unió el trabajo de sus tres colegas en una teoría de la relatividad homogénea, aplicando estas extrañas consecuencias a la mecánica clásica . Las confirmaciones experimentales de la teoría de la relatividad estaban ahí, con la precisión de las medidas de la época cercana.
En el marco de la teoría de la relatividad, las partículas se clasifican en tres grupos:
Las masas en reposo combinadas con el factor multiplicativo dan energía real para cada uno de los grupos definidos anteriormente.
Lo que prohíbe la relatividad especial es violar la causalidad: por lo tanto, es información en el sentido causal del término que no puede ir más rápido que c . Uno de los problemas es lograr definir esta noción de información. De hecho, es posible, por ejemplo, que un pulso de luz tenga una velocidad de grupo mayor que c sin que esto viole la causalidad porque el frente de onda se propaga a la velocidad c .
De hecho, se ha demostrado que la información siempre se propaga a la velocidad c : las velocidades de la luz infra o superlumínica pueden transportar una señal, pero no información en el sentido causal. Por tanto, en general es importante prestar atención a la definición de la velocidad considerada. Además de la velocidad de la información (siendo en ocasiones difícil definir el concepto de información), podemos considerar así diferentes velocidades que pueden tomar valores menores o mayores que c , o incluso valores negativos:
La paradoja EPR también ha demostrado que la física cuántica da ejemplos de los que las partículas se comportan como si pudieran coordinarse, mientras que las desviaciones en el espacio y el tiempo requerirían que esto excedavs. Sin embargo, este fenómeno no se puede utilizar para transmitir información.
En septiembre 2011, la colaboración de los físicos que trabajan en el experimento OPERA anuncia que el tiempo de vuelo medido de los neutrinos producidos en el CERN es 60,7 ns menor que el esperado para las partículas que se mueven a la velocidad de la luz. La8 de junio de 2012, los científicos del experimento OPERA anuncian que la anomalía estaba relacionada de hecho con un error de medición debido a la conexión defectuosa de un cable óptico de sincronización de los relojes atómicos, y que la velocidad medida de los neutrinos era compatible con la de la luz.
“La posibilidad de que las constantes fundamentales puedan variar durante la evolución del universo ofrece una ventana excepcional hacia teorías de dimensiones superiores y probablemente esté relacionada con la naturaleza de la energía oscura que hace que el universo se acelere hoy. "