Velocidad de la Luz

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Velocidad de la Luz: Historia y Actualidad

La historia de las determinaciones de la velocidad de la luz puede contarse como un largo pero continuo aumento de la precisión. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). La historia comienza con una mera especulación sobre si la luz necesita tiempo para viajar y termina con las mediciones basadas en el láser que, al llegar al décimo decimal, desafiaron la unidad de longitud en la década de 1970. Alinear a los colaboradores, guiados por la retrospectiva del triunfo final es legítimo, e incluso necesario para los profesionales.Si, Pero: Pero se corre el riesgo de perder el contexto de cada contribución. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). De hecho, algunos investigadores no se interesaron principalmente por la velocidad de la luz, y mucho menos por el aumento de la precisión. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Algunos ni siquiera publicaron un valor en absoluto.

Aún no se ha escrito una historia completa de las determinaciones de la velocidad de la luz. El breve relato que sigue tiene por objeto insinuar los contextos muy diferentes de los que contribuyeron a nuestro conocimiento de esta importante constante física.

LA ANTIGÜEDAD Y LA EDAD MEDIA: EL CONOCIMIENTO COMÚN Y LA ESPECULACIÓN SOBRE LA VISIÓN
Hasta el siglo XVII los filósofos naturales no medían la velocidad de la luz, pero se preocupaban por si la luz necesitaba tiempo para viajar. La mayoría de estos investigadores académicos sostenían que la propagación de la luz es instantánea. Para comprender este debate es importante señalar que la filosofía natural en general y el estudio de la luz en particular difieren fundamentalmente de la ciencia moderna (a pesar de las numerosas diferencias internas). Todo conocimiento seguro de la naturaleza tenía que derivarse de observaciones comúnmente acordadas.

Una Conclusión

Por lo tanto, la falta de experimentos no era sólo una cuestión de falta de medios técnicos, sino también de epistemología: Las observaciones únicas, en particular si se realizan por medio de aparatos artificiales, nunca permitirán sacar conclusiones generales.

Indicaciones

En cambio, el punto de partida debía ser lo que todos pudieran observar. Esta limitación conduce a la diferencia específica: el estudio de la luz formaba parte del estudio más completo de la visión. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Se creía en general que para ver un objeto, algo tenía que viajar desde el ojo hasta el objeto.

Una Conclusión

Por lo tanto, la experiencia común de que al abrir los ojos uno ve inmediatamente las estrellas era la piedra de tropiezo empírica crucial. Para la mayoría de los filósofos esta experiencia era suficiente para excluir la posibilidad de una propagación gradual. Otros, sin embargo, afirmaban que la propagación podría ser simplemente demasiado rápida para ser notada por la percepción humana incluso para objetos tan distantes.

Incluso si uno se centra en la luz que emana de una fuente de luz, la cuestión de su propagación depende de si la luz es una sustancia (cuerpo, objeto o cosa) en absoluto.Entre las Líneas En efecto, para éstos sería difícil dudar de que se encuentra en las proximidades de la fuente de luz primero y en el ojo del observador después.Si, Pero: Pero si la luz no es tal cosa sino una cualidad del medio intermedio, el cambio no sería un movimiento, lo que permitiría una iluminación instantánea, como por ejemplo, el filósofo griego Aristóteles (384-322 a.C.E.) argumentó.

Por un lado, el físico italiano Galileo Galilei (1564-1642) rompió radicalmente con esta tradición. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto). Mezcló las matemáticas con la filosofía natural, utilizando dispositivos artificiales (en particular telescopios para observaciones), y para él incluso las observaciones individuales tenían que ser contabilizadas. Por otra parte, Galileo todavía pertenecía a la tradición aristotélica, escolástica, en particular para la cuestión de la velocidad de la luz.

En sus Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due nuove scienze de 1638, Galileo deja que Salviati (un filósofo natural ficticio, que representa el punto de vista del propio Galileo) proponga un experimento sobre la cuestión de la propagación instantánea de la luz. Dos personas serán equipadas con lámparas, dice. Se aconseja a ambos que abran y cubran sus lámparas al ver que la otra está abierta o cubierta. Para distinguir el tiempo de reacción de un efecto real debido al tiempo de funcionamiento, Salviati les permite entrenar primero a corta distancia. Cuando se le presiona para que anuncie su resultado, Salviati admite haber realizado el experimento a una distancia de menos de una milla (con un resultado nulo), aunque podría ser factible a lo largo de 8 o 10 millas usando telescopios.

Si se toma la declaración de Salviati como una representación verdadera de lo que Galileo había hecho, es sorprendente que Galileo se detuviera a corta distancia y no intentara la distancia más larga. De hecho, se retira a la epistemología tradicional de la interpretación de las experiencias comunes. Salviati argumenta que en una tormenta eléctrica a veces se puede distinguir el punto de partida y el punto de llegada de un rayo, lo que demuestra que la luz necesita tiempo para viajar. (Hoy sabemos que esto a lo sumo diría algo sobre la velocidad de la descarga, no de la luz.)

El uso de experimentos de Galileo es ambiguo aquí. Si hubiera hecho el experimento a una distancia mayor de 8 millas, digamos, y aún así no hubiera encontrado un retraso significativo, esto iría en contra de su propia persuasión de una propagación gradual. y esta persuasión parece haber sido derivada del razonamiento sobre experiencias comunes.

En la década de 1660 el experimento fue realizado por miembros de la Academia del Cimento, una sociedad científica de Florencia, aunque en la corta distancia de 1 milla, sin signos de una velocidad finita de la luz.

PERÍODO MODERNO TEMPRANO: MÉTODOS ASTRONÓMICOS
El contexto de la afirmación del astrónomo danés Ole R⊘mer (1644-1710) de que la velocidad de la luz es finita fue la búsqueda de un método para determinar las longitudes geográficas. Esta determinación requería transferir el tiempo de un lugar a otro. El reloj de péndulo permitía una medición precisa de la hora local, pero obviamente no se podía mover mientras estaba funcionando. La solución consistió en la observación de los eclipses de los satélites de Júpiter como una especie de reloj universal. Para este experimento, el matemático y astrónomo italo-francés Jean-Dominique Cassini (1625-1712), director del observatorio de París, compuso tablas de las horas en que el satélite más interno de Júpiter entra y sale de la sombra de Júpiter.

R⊘mer fue traída a París por el astrónomo francés Jean Picard (1620-1682), quien había sido enviado a Dinamarca en 1671 para determinar la longitud de Uraniborg, el antiguo observatorio del astrónomo danés Tycho Brahe (1546-1601) en la isla de Hven. Los franceses querían beneficiarse de los datos de observación de Brahe, y se esperaba que R⊘mer los publicara en París.

Las tablas de Cassini de los eclipses de los satélites de Júpiter mostraban una anomalía que dependía de la distancia entre Júpiter y la Tierra. R⊘mer explicó este resultado como causado por el tiempo que la luz necesita para viajar de Júpiter a la Tierra.Entre las Líneas En septiembre de 1676 predijo que la emersión del primer satélite del 9 de noviembre se retrasaría 10 minutos. Este resultado, de hecho, ocurrió, y R⊘mer concluyó que la luz necesita 22 minutos para atravesar el diámetro de la órbita de la Tierra.

Puntualización

Sin embargo, en contraste con muchos relatos de libros de texto, R⊘mer nunca calculó ningún valor para la velocidad de la luz.

La velocidad finita de la luz fue aceptada sólo gradualmente, pero los últimos escépticos de tal valor fueron silenciados después de que el astrónomo inglés James Bradley (1693-1762) descubriera la aberración estelar en 1729. Su relato del descubrimiento, publicado en el número de 1728 de la Philosophical Transactions of the Royal Society, es una obra maestra de una discusión meticulosa de una afirmación audaz.

Al igual que R⊘mer, Bradley no estaba interesado en la velocidad de la luz. Su descubrimiento fue el resultado de la búsqueda de paralaje estelar. Si la teoría de Nicolaus Copernicus sobre la revolución de la Tierra alrededor del Sol es correcta, las posiciones aparentes de las estrellas deberían cambiar durante el año a menos que estén extremadamente lejos. Los telescopios con retícula en combinación con el reloj de péndulo hicieron prometedora la búsqueda de la aberración estelar.

De hecho, Bradley encontró un cambio anual para g-Draconis, pero este cambio fue en la dirección del movimiento de la Tierra en lugar de ser perpendicular a ella como se esperaba. Desconcertado por el efecto, Bradley inició un proyecto de investigación de dos años para averiguar sus causas.

Bradley discutió varias explicaciones posibles para este fenómeno y finalmente descartó todas menos una: El ángulo de aberración resulta de una combinación de la velocidad de la luz y la velocidad del observador (como pasajero en la Tierra).

Si una porción de luz estelar viaja de C a A en el mismo tiempo que el observador viaja de B a A, el observador tiene que inclinar el tubo del telescopio delante del movimiento, es decir, en la dirección de BC (en lugar de en la dirección de AC), para mantener la luz en el centro del tubo.

El ángulo máximo entre la dirección verdadera y la aparente es de 20,25 segundos de arco, lo que significa que la velocidad de la luz es 10.185 veces la velocidad de la Tierra en su órbita. Este resultado corresponde a un tiempo de viaje de la luz desde el Sol hasta la Tierra de 493 segundos, en muy buen acuerdo con el valor actual de 499 segundos.Si, Pero: Pero al igual que R⊘mer, Bradley nunca convirtió estos datos en un valor de la velocidad de la luz.

Esta reticencia era razonable, ya que el cálculo de un valor absoluto requiere un valor para la distancia entre el Sol y la Tierra, que hoy en día se llama la unidad astronómica. La mejor manera de medir este valor era la observación de los tránsitos de Venus. Al adelantar a la Tierra en su movimiento alrededor del Sol, Venus pasa a través del Sol, un evento que puede ser observado como un pequeño punto negro en la superficie del Sol. Si se observa desde lugares distantes en la Tierra, esta observación permite el cálculo de la unidad astronómica, aunque hay muchas dificultades prácticas. La evaluación del astrónomo alemán Johann Franz Encke (1791-1865) de estas mediciones de 1761 y 1769 dio un valor de 8,5776 segundos de arco para el ángulo bajo el cual el diámetro de la Tierra sería visto desde el Sol.

A diferencia de sus predecesores, los astrónomos del siglo XIX calcularon valores para la velocidad de la luz, aunque sin llegar a un consenso. Usando el valor del astrónomo alemán Friedrich Georg Wilhelm Struve (1793-1864) de 20,4451 segundos de arco para la constante lleva a una velocidad de 308.100 kilómetros por segundo (km/s), mientras que el valor del astrónomo francés Jean-Baptiste-Joseph Delambre (1749-1822) de 493,2 segundos para un tiempo de viaje de la luz del tipo R⊘mer lleva a un resultado de 311.100 km/s.

1849–C. 1945: MÉTODOS DE TIEMPO DE VUELO
Ambos métodos que dominaron las mediciones de la velocidad de la luz durante casi un siglo se originaron en un esfuerzo común de dos jóvenes físicos franceses, Hippolyte Fizeau (1819-1896) y Léon Foucault (1819-1868). Habían sido invitados por el astrónomo y físico francés François Arago (1786-1853) para mejorar su experimento sobre la naturaleza de la luz. Enviaron luz de ida y vuelta a través de un espejo giratorio a un espejo estacionario. Parte de la luz corría a través de un tubo lleno de agua colocado entre los espejos. Si la luz viaja más lentamente en el agua, el ángulo de desviación del rayo de retorno se incrementa (examine más sobre todos estos aspectos en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). Fizeau y Foucault se distanciaron durante este proyecto, pero ambos encontraron por separado el resultado esperado. Para Arago, este resultado fue la prueba final de la teoría de las ondas de la luz.

Puntualización

Sin embargo, como todos los demás ya estaban convencidos de la teoría de las ondas de todos modos, el experimento fue más bien un desafío técnico.

Fizeau transfirió algunas de las ideas esenciales del experimento original a su llamado experimento de la rueda dentada.Entre las Líneas En este experimento, envió un rayo de luz desde la casa de sus padres en Suresnes, cerca de París, a Montmartre, donde un espejo reflejó la luz. El borde de una rueda dentada giratoria cortó el rayo de luz saliente en una rápida secuencia de pulsos. Cuando, durante el tiempo de viaje, un diente había reemplazado una muesca, la luz se bloqueaba en su camino de regreso (examine más sobre todos estos aspectos en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). Fizeau, colocado detrás de la rueda dentada, vio desaparecer el punto de luz. Girando la rueda dentada más rápido hizo que la luz reapareciera, porque cada porción pasó por la muesca siguiente. La medición de la distancia y la velocidad de rotación permitió determinar la velocidad de la luz.

Fizeau anunció que su resultado era de 315.300 km/s para la velocidad de la luz, pero se apresuró a añadir que este resultado era preliminar y acorde con el valor de los astrónomos. Obviamente, el objetivo de Fizeau era simplemente la demostración de la viabilidad del método. De hecho, de acuerdo con una réplica fiel, el aparato permitía valores mucho mejores.

El primer experimento con el objetivo explícito de cambiar el valor recibido para la velocidad de la luz fue llevado a cabo por Foucault en 1862. El astrónomo francés Urbain Le Verrier (1811-1877), director del observatorio, había empleado la teoría de la gravitación de Isaac Newton (1642-1727) para sus impresionantes cálculos de las propiedades del Sistema Solar, incluyendo las perturbaciones mutuas de los planetas, que incidentalmente dieron lugar al descubrimiento de Neptuno. Desgraciadamente, según los cálculos de Le Verrier, la unidad astronómica y por lo tanto la velocidad de la luz sería mucho menor de lo que se había supuesto hasta ahora.

Afortunadamente, Foucault había sido nombrado físico del observatorio, lo que permitió a Le Verrier encargar una medición de laboratorio (examine más sobre todos estos aspectos en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). Foucault amplió el recorrido de la luz de su aparato de espejo giratorio de 1850 y aplicó algunas mejoras menores y finalmente logró lo que su superior esperaba. Su resultado de 298.000 km/s fue, en efecto, mucho más pequeño que todos los valores anteriores.

Demasiados físicos para ser mencionados han refinado estos métodos desde entonces. Por ejemplo, el físico francés Alfred Cornu (1841-1902) utilizó una rueda más pequeña, pero de rotación mucho más rápida que la de Fizeau e inventó un aparato de registro eléctrico. Con este aparato, fue capaz de publicar su resultado de 300.400 km/s justo antes del tan esperado tránsito de Venus de 1874. La observación de los tránsitos de Venus de 1874 y 1882 apenas mejoró la observación del siglo XVIII, lo que significó una inversión final del estado de la física y la astronomía con respecto a la velocidad de la luz.

En el decenio de 1930 algunos investigadores utilizaron una célula de Kerr, en la que la modulación de una señal luminosa se hace de forma eléctrica en lugar de mecánica, lo que permite frecuencias mucho más altas. El físico sueco Erik Bergstrand (1904-1987) utilizó la célula de Kerr para su geodímetro, el primer dispositivo que utilizó la velocidad de la luz para medir distancias. El geodímetro revolucionó la geodesia.Entre las Líneas En lugar de medir un lado de un triángulo por medio de una cinta invar y dos ángulos ópticos, ahora era posible determinar los tres lados independientemente. Por medio del geodímetro, Bergstrand determinó que la velocidad de la luz era de 299.793,1 km/s.

El físico más destacado en utilizar el método del espejo giratorio fue el físico americano Albert Abraham Michelson (1852-1931). Eligió una medición de la velocidad de la luz como su primera contribución científica (en 1879) para probar sus propias capacidades técnicas así como las de su nación, que no siempre se tomaron en serio en Europa.Entre las Líneas En 1927 amplió la línea de base a 35 km, lo que llevó a un valor de 299.796 km/s.

Michelson dudaba de la exactitud de sus resultados, en particular de la posibilidad de determinar la distancia con
un error de menos de 35 milímetros.

Otros Elementos

Además, la precisión había alcanzado un nivel en el que había que tener en cuenta el índice de refracción del aire. Esto llevó a Michelson a construir otra versión en un tubo evacuado de 1,6 km de largo. Michelson murió en 1931, antes de las mediciones finales, pero el experimento fue terminado por sus colaboradores, los astrónomos americanos Francis Gladheim Pease (1881-1938) y Frederick Pearson (1887-1955). Su resultado fue de 299.774 km/s, lo que, a juzgar por la vista, es peor que el valor anterior. Se sabía entonces que la distancia cambió en varios milímetros durante las mediciones, muy probablemente debido a la inestabilidad del terreno.Si, Pero: Pero la principal causa de error sigue siendo desconocida.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

DESPUÉS DE LA SEGUNDA GUERRA MUNDIAL: MÉTODOS DE CAVIDAD
Mientras tanto, la teoría había hecho progresos significativos.Entre las Líneas En particular, la teoría de la relatividad del físico germano-americano Albert Einstein (1879-1955) de 1905 era relevante. Una característica de esa teoría dice que la velocidad de la luz es en realidad una constante universal, que permite medirla en cualquier lugar y en cualquier momento. Una segunda característica, el principio de relatividad, dice que es imposible determinar la propia velocidad localmente. Para medir la velocidad de la luz, este principio significa que no hay que preocuparse por la influencia de la rotación diurna de la Tierra, la rotación anual de la Tierra alrededor del Sol, el movimiento del Sistema Solar alrededor del centro de la galaxia, el movimiento de la galaxia, o cualquier movimiento que los habitantes de la Tierra se vean inevitablemente obligados a realizar. Michelson y el químico americano Edward Morley (1838-1923) habían buscado un efecto producido por el movimiento de la Tierra, pero obtuvieron un resultado nulo en 1887, aunque en los montajes de ida y vuelta el efecto sería extremadamente pequeño.

El desarrollo más importante, sin embargo, es de la década de 1860. Según la teoría de la electrodinámica del físico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879), la luz visible consiste en ondas electromagnéticas. Dado que todas las ondas electromagnéticas tienen la misma velocidad, es posible determinar la velocidad de la luz utilizando otras partes del espectro, más allá de los límites de visibilidad del ojo humano.

El radar fue inventado en los años 30 y se desarrolló rápidamente antes y durante la Segunda Guerra Mundial. Consiste en enviar una onda electromagnética fuerte y pulsada y en analizar las reflexiones de grandes estructuras, en particular barcos y aviones, en términos de dirección y distancia.

El radar de microondas se empleó para las mediciones del tiempo de vuelo inmediatamente después de la guerra, por ejemplo, por el ingeniero civil estadounidense Carl Aslakson (1896-1982), pero este método sufrió las dificultades de la medición de la línea de base.

Otros Elementos

Además, la velocidad de las microondas es aún más sensible a las condiciones atmosféricas que la luz visible.

La mejora crucial fue medir las ondas estacionarias en una cavidad en lugar de los pulsos de ondas viajeras. Para las ondas estacionarias, la medición independiente de la longitud de onda λ y la frecuencia f permite calcular la velocidad de la luz c por c = λ × f.Entre las Líneas En 1950 el físico inglés Louis Essen (1908-1997) utilizó un cilindro

latidos comparativamente baja, que puede medirse por medios ordinarios. REPRODUCIDO CON PERMISO DE PETLEY, BRIAN WILLIAM. LOS CONSTANTES FÍSICOS FUNDAMENTALES y LA FRONTERA DE LA MEDIDA. TAYLOR & FRANCISCO, 2ª ED. (1988): P. 65
cavidad de acero plateado, de 6,5 centímetros de diámetro y 18 cm de largo. Su resultado fue de 299.792,5 km/s, el primer valor de siete dígitos publicado.

El método de la microonda-cavidad está limitado por el hecho de que la longitud de onda y la propia cavidad son del mismo orden de magnitud (algunos centímetros). Esta configuración provoca la difracción, que es muy difícil de calcular con suficiente precisión. (Tal vez sea de interés más investigación sobre el concepto).Entre las Líneas En consecuencia, el físico inglés Keith Davy Froome (1921-1995) prescindió de la cavidad y utilizó una línea de base abierta en su interferómetro. Al igual que Essen, encontró 299.792,5 km/s, y este resultado siguió siendo el más exacto durante varios años, pero de nuevo se vio limitado por la intervención del aire.

Estos problemas se resolvieron con la disponibilidad del láser, inventado en 1960. Al menos en sus partes ópticas, un láser es básicamente un resonador de cavidades para la luz visible. La medición de su dimensión es relativamente sencilla. Por medio de la interferometría, la longitud de la cavidad puede compararse con la luz de la lámpara de criptón-86 que sirve para la definición del medidor desde 1960.

En cambio, según la longitud de onda mucho más corta, la frecuencia es unas diez mil veces mayor que la de las microondas. No puede compararse directamente con la frecuencia del reloj de cesio-133 que se ha utilizado para definir el segundo desde 1967.

La solución consistía en una cadena de láseres estabilizados de diferentes frecuencias y longitudes de onda. De esta manera fue posible vincular la frecuencia de la luz de criptón-86 con la de un reloj de cesio-133.

Durante la década de 1970 la precisión de la velocidad de la luz alcanzó 1 parte en 1.000 millones, superando así la definición del medidor.

Una Conclusión

Por lo tanto, la Conferencia General de Poids et Mesures dio un paso radical. Se fijó la velocidad de la luz y se definió el metro en términos de esa constante. Desde 1983, “el metro es la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299.792.458 de segundo” (Petley 1983, p. 373) (examine más sobre todos estos aspectos en la presente plataforma online de ciencias sociales y humanidades). Formalmente, al menos, esto termina la historia de las mediciones de la velocidad de la luz. Cualquier otro progreso técnico sólo proporcionará una mejor realización del medidor.

Datos verificados por: Chris

Recursos

Traducción al Inglés

Traducción al inglés de Velocidad de la luz: Speed of light

Véase También

Ondas electromagnéticas; Luz, Naturaleza de; Relatividad; Naturaleza de las ondas de las partículas

Bibliografía

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