Velocidad de la luz
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 La luz del sol tarda aproximadamente 8 minutos 19 segundos para llegar a la Tierra (basado en la distancia promedio). | |
| Los valores exactos | |
|---|---|
| Metros por segundo | 299792458 |
| Unidades de Planck | 1 |
| kilometros por segundo | 299,792.458 |
| Valores aproximados | |
| kilometros por hora | 1.080 millones |
| millas por segundo | 186000 |
| millas por hora | 671 millones |
| unidades astronómicas por día | 173 |
| Los tiempos de viaje de la señal de luz aproximado | |
| Distancia | Tiempo |
| uno pie | 1.0 ns |
| uno metro | 3.3 ns |
| desde órbita geoestacionaria a la Tierra | 119 sra |
| la longitud de la Tierra ecuador | 134 ms |
| de la Luna a la Tierra | 1.3 s |
| del Sol a la Tierra (1 AU) | 8.3 min |
| de estrella más cercana al Sol (1,3 pc) | 4,2 años |
| de la galaxia más cercana (la Can Mayor Galaxia Enana) a la Tierra | 25.000 años |
| a través de la Vía Láctea | 100.000 años |
| de la galaxia de Andrómeda a la Tierra | 2500000 año |
La velocidad de la luz en de vacío, c denota comúnmente, es un universal constante física importante en muchas áreas de la física . Su valor es de 299 792 458 metros por segundo, una cifra que es exacta porque la longitud del metro se define de esta constante y la estándar internacional para el tiempo. En unidades imperiales esta velocidad es de aproximadamente 186.282 millas por segundo. De acuerdo con la relatividad especial , c es la velocidad máxima a la que toda la energía, la materia, y información en el universo puede viajar. Es la velocidad a la que todos partículas sin masa y asociados campos (incluyendo la radiación electromagnética como la luz ) viajan en el vacío. También es el velocidad de la gravedad (es decir, de ondas gravitacionales) predichos por las teorías actuales. Tales partículas y ondas viajan a c independientemente del movimiento de la fuente o de la sistema inercial de referencia del observador. En la teoría de la relatividad , c interrelaciona aparece el espacio y el tiempo, y también en la famosa ecuación de la equivalencia masa-energía E = mc 2.
La velocidad a la que la luz se propaga a través materiales transparentes, como el vidrio o el aire, es menor que c. La relación entre c y la velocidad v en la que la luz viaja en un material se denomina índice de refracción n del material (n = c / v). Por ejemplo, para la luz visible el índice de refracción del vidrio es típicamente alrededor de 1,5, lo que significa que la luz viaja en vidrio en c / 1,5 ≈ 200.000 kilometros / s; el índice de refracción del aire para la luz visible es de aproximadamente 1,0003, así que la velocidad de la luz en el aire es de aproximadamente 90 km / s más lento que c.
En los casos más prácticos, la luz puede ser pensado como un movimiento "instantáneamente", pero para largas distancias y mediciones muy sensibles la velocidad finita de la luz tiene efectos notables. Por ejemplo, en los vídeos de una tormenta eléctrica intensa en la superficie de la Tierra tomada desde la Estación Espacial Internacional, la expansión de los frentes de onda de luz de destellos individuales de un rayo es claramente visible, y permite que las estimaciones de la velocidad de la luz para hacer de trama a -Marco análisis de la posición del frente de onda de la luz. Esto no es sorprendente, ya que el tiempo para que la luz se propaga por completo alrededor de la Tierra es del orden de 140 milisegundos. Este tiempo de tránsito es lo que hace que el Resonancia Schumann. Para comunicarse con la lejana sondas espaciales, que pueden tomar minutos u horas para un mensaje en llegar desde la Tierra a la nave espacial, o viceversa. La luz que vemos de las estrellas los dejó hace muchos años, que nos permite estudiar la historia del universo por mirar objetos distantes. La velocidad finita de la luz también limita la velocidad máxima teórica de los ordenadores , ya que la información debe ser enviada dentro del equipo desde el chip a chip. Finalmente, la velocidad de la luz se puede utilizar con del tiempo de vuelo para medir grandes distancias a alta precisión.
Ole Rømer demostró por primera vez en 1676 que la luz viajó a una velocidad finita (en oposición a instantáneamente) mediante el estudio del movimiento aparente de Jupiter luna 's Io. En 1865, James Clerk Maxwell propuso que la luz era una onda electromagnética, y por lo tanto, viajó a la velocidad c que aparece en su teoría del electromagnetismo. En 1905, Albert Einstein postuló que la velocidad de la luz con respecto a cualquier sistema inercial es independiente del movimiento de la fuente de luz, y exploró las consecuencias de ese postulado derivando la teoría especial de la relatividad y mostrando que el parámetro c tenía relevancia fuera del contexto de la luz y el electromagnetismo. Después de siglos de mediciones cada vez más precisas, en 1975 se conoce la velocidad de la luz para ser 299.792.458 m / s con una incertidumbre de medida de 4 partes por mil millones. En 1983, la 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 de un segundos. Como resultado, el valor numérico de c en metros por segundo se ha fijado ahora exactamente por la definición del metro.
Valor numérico, notación y unidades
La velocidad de la luz en el vacío se denota c. El símbolo c es un "c onstant" en físico sistemas de unidades, y c también es sinónimo de " celeritas ", en latín significa" rapidez ". (Capital C es la Unidad del SI para culombio de carga eléctrica .) Originalmente, el símbolo V se utilizó para la velocidad de la luz, introducida por James Clerk Maxwell en 1865. En 1856, Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch había usado c para una constante diferente en el futuro se muestra a la igualdad de √ 2 veces la velocidad de la luz en el vacío. En 1894, Paul Drude redefinió c con su significado moderno. Einstein utiliza V en su documentos en idioma alemán originales sobre la relatividad especial en 1905, pero en 1907 se cambiaron a c, que para entonces se había convertido en el símbolo estándar.
A veces c se utiliza para la velocidad de las ondas en cualquier medio material, y c 0 para la velocidad de la luz en el vacío. Esta notación de subíndice, que se aprobó en la literatura oficial SI, tiene la misma forma que otras constantes relacionados: a saber, μ 0 para el la permeabilidad del vacío o constante magnética, ε 0 para el permitividad o constante de vacío eléctrica, y Z 0 para el impedancia de espacio libre. Este artículo utiliza c exclusivamente para la velocidad de la luz en el vacío.
En el Sistema Internacional de Unidades (SI), el metro se define como la distancia que la luz viaja en el vacío en 1 / 299.792.458 de segundo. Esta definición fija la velocidad de la luz en el vacío a exactamente 299.792.458 m / s. Como un constante física dimensional, el valor numérico de c es diferente para diferentes sistemas de unidades. En ramas de la física en la que c aparece a menudo, como en la relatividad, es común el uso de sistemas de unidades naturales de medición o la sistema de unidades geometrizado donde c = 1. El uso de estas unidades, c no aparece explícitamente porque la multiplicación o división por 1 no afecta el resultado.
Papel fundamental en la física
La velocidad a la que se propagan las ondas de luz en el vacío es independiente tanto del movimiento de la fuente de onda y de la sistema inercial de referencia del observador. Esta invariancia de la velocidad de la luz fue postulada por Einstein en 1905, después de haber sido motivado por la teoría del electromagnetismo de Maxwell y la falta de pruebas para el éter luminoso ; desde entonces se ha confirmado con regularidad por muchos experimentos. Sólo es posible verificar experimentalmente que la velocidad de dos vías de la luz (por ejemplo, desde una fuente a un espejo y viceversa) es-frame independiente, ya que es imposible medir el velocidad de un solo sentido de la luz (por ejemplo, de un origen a un detector lejano) sin alguna convención en cuanto a cómo se deben sincronizar los relojes en la fuente y en el detector. Sin embargo, mediante la adopción de Einstein para la sincronización de los relojes, la velocidad de una vía de luz se vuelve igual a la velocidad de dos vías de la luz por definición. La teoría especial de la relatividad explora las consecuencias de esta invariancia de c con la suposición de que las leyes de la física son las mismas en todos los marcos de referencia inerciales. Una consecuencia es que c es la velocidad a la que todos partículas y ondas sin masa, incluyendo la luz, deben viajar en el vacío.
La relatividad especial tiene muchas implicaciones contrarias a la intuición y verificado experimentalmente. Estos incluyen la la equivalencia entre masa y energía (E = mc 2), contracción de la longitud (objetos en movimiento se acortan), y la dilatación del tiempo (relojes en movimiento funcionan más lento). El γ factor por el cual las longitudes de contrato y dilatar veces se conoce como el Factor de Lorentz y está dada por γ = (1 - v 2 / c 2) -1/2, donde v es la velocidad del objeto. La diferencia de γ de 1 es despreciable para velocidades mucho más lentas que c, como la mayoría de velocidades en la vida cotidiana cuyo caso la relatividad especial está estrechamente aproximar por La relatividad, pero Galileo aumenta a velocidades relativistas y diverge a infinito cuando v tiende c.
Los resultados de la relatividad especial se pueden resumir en el tratamiento del espacio y el tiempo como una estructura unificada conocido como espacio-tiempo (con c relacionar las unidades de espacio y tiempo), y que requiere que las teorías físicas satisfacer una especial simetría llamada Invariancia Lorentz, cuya formulación matemática contiene el parámetro c. Invariancia de Lorentz es una suposición casi universal para las teorías físicas modernas, como electrodinámica cuántica, cromodinámica cuántica, el Modelo Estándar de la física de partículas y la relatividad general . Como tal, el parámetro c es ubicuo en la física moderna, que aparece en muchos contextos que no están relacionados a la luz. Por ejemplo, la relatividad general predice que c es también la velocidad de la gravedad y de ondas gravitacionales. En marcos no inerciales de referencia (espacio gravitacionalmente curva o acelerado marcos de referencia), la velocidad local de la luz es constante e igual a c, pero el velocidad de la luz a lo largo de una trayectoria de longitud finita puede diferir de c, dependiendo de cómo se definen distancias y tiempos.
Se asume generalmente que las constantes fundamentales tales como c tienen el mismo valor en todo el espacio-tiempo, es decir, que no dependen de la ubicación y no varían con el tiempo. Sin embargo, se ha sugerido en diversas teorías que la velocidad de la luz puede haber cambiado con el tiempo. Se ha encontrado ninguna evidencia concluyente de dichos cambios, pero siguen siendo objeto de una investigación en curso.
También se asume generalmente que la velocidad de la luz es isotrópico, lo que significa que tiene el mismo valor independientemente de la dirección en la que se mide. Las observaciones de las emisiones de la nuclear los niveles de energía en función de la orientación de los emisores de los núcleos en un campo magnético (véase Hughes-Drever experimento), y de girar resonadores ópticos (ver Experimentos Resonador) han puesto límites estrictos sobre la posible anisotropía de dos vías.
Límite superior de velocidades
Según la relatividad especial, la energía de un objeto con resto masa my velocidad v viene dada por γmc 2, donde γ es el factor de Lorentz se ha definido anteriormente. Cuando v es cero, γ es igual a uno, dando lugar a la famosa fórmula E = mc 2 para la equivalencia masa-energía. El factor γ tiende a infinito como v se aproxima a c, y se necesitaría una cantidad infinita de energía para acelerar un objeto con masa a la velocidad de la luz. La velocidad de la luz es el límite superior de la velocidad de los objetos con masa en reposo positivo. Esto se establece experimentalmente en muchos pruebas de energía relativista y el impulso.
Más en general, normalmente es imposible para información o energía para viajar más rápido que c. Un argumento para esto se desprende de la implicación contraria a la intuición de la relatividad especial conocido como el la relatividad de la simultaneidad. Si la distancia espacial entre dos eventos A y B es mayor que el intervalo de tiempo entre ellos multiplicado por c entonces hay marcos de referencia en la que A precede B, otros en los que B precede a una, y otros en los que están simultánea. Como resultado, si algo viajaban más rápido que c con respecto a un sistema de referencia inercial, sería viajar hacia atrás en el tiempo en relación con otro marco, y causalidad sería violado. En un marco de referencia tal, un "efecto" se pudo observar antes de su "causa". Tal violación de la causalidad nunca se ha registrado, y daría lugar a paradojas tales como la antitelephone taquiónico.
Más rápido que la luz observaciones y experimentos
Hay situaciones en las que puede parecer que la materia, la energía, o la información viaja a velocidades mayores que c, pero no lo hacen. Por ejemplo, como se discute en la propagación de la luz en un medio por debajo de la sección, muchas velocidades de las ondas pueden exceder c. Por ejemplo, el velocidad de fase de Los rayos X a través de la mayoría de las gafas pueden exceder rutinariamente c, pero este tipo de ondas no transmitir ninguna información.
Si un rayo láser se barre rápidamente a través de un objeto distante, el punto de luz puede moverse más rápido que c, aunque el movimiento inicial de la mancha se ha retrasado debido al tiempo que tarda la luz en llegar al objeto distante a la velocidad c. Sin embargo, las únicas entidades físicas que se mueven son el láser y su luz emitida, que viaja a la velocidad c del láser para las distintas posiciones de la mancha. Del mismo modo, una sombra proyectada sobre un objeto distante se puede hacer para moverse más rápido que c, después de un retraso en el tiempo. En ninguno de los casos cualquier materia, energía o información viajan más rápido que la luz.
La tasa de cambio en la distancia entre dos objetos en un marco de referencia con respecto al cual ambos están en movimiento (su velocidad de cierre) puede tener un valor superior a c. Sin embargo, esto no representa la velocidad de cualquier objeto único como se mide en un solo marco inercial.
Ciertos efectos cuánticos parecen ser transmitida de forma instantánea y por lo tanto más rápido que c, como en el Paradoja EPR. Un ejemplo consiste en la estados cuánticos de dos partículas que pueden ser enredado. Hasta cualquiera de las partículas se observa, existen en una superposición de dos estados cuánticos. Si se separan las partículas y se observa estado cuántico de una partícula, estado cuántico de la otra partícula se determina instantáneamente (es decir, más rápido que la luz podría viajar de una partícula a la otra). Sin embargo, es imposible controlar qué estado cuántico la primera partícula asumirá cuando se observa, por lo que la información no puede transmitirse de esta manera.
Otro efecto cuántico que predice la aparición de más rápido que la luz velocidades se denomina Efecto Hartman; bajo ciertas condiciones, el tiempo necesario para que una partícula virtual a túnel a través de una barrera es constante, independientemente del espesor de la barrera. Esto podría resultar en una partícula virtual de cruzar una gran brecha más rápido que la luz. Sin embargo, no hay información puede enviarse usando este efecto.
Llamado superlumínica movimiento se ve en ciertos objetos astronómicos, tales como el jets relativistas de radio galaxias y cuásares. Sin embargo, estos chorros no se están moviendo a velocidades en exceso de la velocidad de la luz: el movimiento superlumínica aparente es una proyección del efecto causado por objetos que se mueven cerca de la velocidad de la luz y se acercan a la Tierra en un pequeño ángulo con la línea de visión: ya que la luz que se emite cuando el avión fue más lejos llevó más tiempo para llegar a la Tierra, el tiempo entre dos observaciones corresponde sucesivas a un tiempo más largo entre los instantes en que se emiten los rayos de luz.
En los modelos de la expansión del universo, las galaxias más lejanas son unos de los otros, más rápido se alejan. Este retroceso no es debido al movimiento a través del espacio, sino más bien a la la expansión del espacio mismo. Por ejemplo, las galaxias lejanas de la Tierra parecen estar alejándose de la Tierra con una velocidad proporcional a su distancia. Más allá de un límite de la llama Esfera Hubble, la velocidad a la que aumenta su distancia de la Tierra se hace mayor que la velocidad de la luz.
En septiembre de 2011, los físicos que trabajan en el OPERA publicó resultados que sugerían haces de neutrinos había viajado desde CERN (Ginebra, Suiza) a LNGS (en el Gran Sasso, Italia) más rápido que la velocidad de la luz. Estos hallazgos, a veces referido como la más rápido que la luz anomalía neutrino, se determinaron-sujeto posteriormente a una confirmación adicional a ser el resultado de un error de medición.
Propagación de la luz
En la física clásica, la luz se describe como un tipo de onda electromagnética . El comportamiento clásico de la campo electromagnético es descrito por las ecuaciones de Maxwell , que predicen que la velocidad con la que c ondas electromagnéticas (como la luz) se propagan a través del vacío está relacionado con la ε constante eléctrica 0 y el μ constante magnética 0 por la ecuación c = 1 / √ ε 0 μ 0. En la moderna física cuántica , el campo electromagnético se describe por la teoría de electrodinámica cuántica (QED). En esta teoría, la luz se describe por las excitaciones fundamentales (o cuantos) del campo electromagnético, llamados fotones . En QED, los fotones son partículas sin masa y por lo tanto, de acuerdo con la relatividad especial, que viajan a la velocidad de la luz en el vacío.
Extensiones de QED en el que el fotón tiene una masa han sido considerados. En tal teoría, su velocidad dependería de su frecuencia, y la velocidad invariante c de la relatividad especial sería entonces el límite superior de la velocidad de la luz en el vacío. No variación de la velocidad de la luz con frecuencia se ha observado en pruebas rigurosas, poniendo límites estrictos sobre la masa del fotón. El límite obtenido depende del modelo utilizado: si el fotón masiva se describe por Teoría Proca, el límite superior experimental para su masa es de aproximadamente 10 -57 gramos; Si la masa del fotón es generado por una Mecanismo de Higgs, el límite superior experimental es menos nítida, m ≤ 10 -14 eV / c 2 (aproximadamente 2 × 10 -47 g).
Otra razón de la velocidad de la luz a variar con su frecuencia sería el fracaso de la relatividad especial para aplicar a arbitrariamente pequeñas escamas, como se predijo por algunas teorías propuestas de la gravedad cuántica. En 2009, la observación del espectro de estallido de rayos gamma GRB 090510 no se encontró ninguna diferencia en las velocidades de los fotones de diferentes energías, lo que confirma que la invariancia de Lorentz se verifica por lo menos hasta la escala de la Longitud de Planck (l P = √ ħ G / c 3 ≈ 1,6163 × 10 -35 m) dividida por 1,2.
En un medio
En un medio, luz por lo general no se propagan a una velocidad igual a c; además, diferentes tipos de onda de luz viajarán a diferentes velocidades. La velocidad a la que las crestas y valles individuales de una onda plana (una onda de llenar todo el espacio, con sólo una frecuencia) propagar se llama velocidad de fase v p. Una señal física real con una extensión finita (un pulso de luz) se desplaza a una velocidad diferente. La mayor parte del pulso viaja a la grupo velocidad v g, y su parte más antigua viaja a la frente velocidad v f.
La velocidad de fase es importante en la determinación de cómo una onda de luz viaja a través de un material o de un material a otro. A menudo se representa en términos de un índice de refracción. El índice de refracción de un material se define como la relación de c a la velocidad de fase v p en el material: índices más grandes de refracción indican velocidades más bajas. El índice de refracción de un material puede depender de la luz frecuencia, intensidad, polarización, o dirección de propagación; En muchos casos, sin embargo, puede ser tratada como una constante dependiente del material. El índice de refracción del aire es aproximadamente 1,0003. Medios más densos, tales como agua, el vidrio, y de diamante , tienen índices de refracción de alrededor de 1,3, 1,5 y 2,4, respectivamente, para la luz visible. En los materiales exóticos como Bose-Einstein cerca del cero absoluto, la velocidad efectiva de la luz puede ser sólo unos pocos metros por segundo. Sin embargo, esto representa retrasar la absorción y la re-radiación entre los átomos, al igual que todas las velocidades más lentas de lo c en sustancias materiales. Como ejemplo extremo de esto, la luz "desaceleración" en la materia, dos equipos independientes de físicos reclamados para llevar la luz a una "parada completa" pasándola a través de un condensado de Bose-Einstein del elemento rubidio , un equipo de La Universidad de Harvard y la Instituto Rowland para la Ciencia en Cambridge, Mass., Y el otro en la Centro Harvard-Smithsoniano para Astrofísica, también en Cambridge. Sin embargo, la descripción popular de ser de luz "parado" en estos experimentos se refiere sólo a la luz de almacenarse en los estados excitados de los átomos, entonces reemitida en una forma arbitraria tarde tiempo, como estimulado por un segundo pulso de láser. Durante el tiempo que se había "detenido", que había dejado de ser la luz. Este tipo de comportamiento es generalmente microscópicamente verdad de todos los medios transparentes que "lenta" la velocidad de la luz.
En materiales transparentes, el índice de refracción generalmente es mayor que 1, lo que significa que la velocidad de fase es menor que c. En otros materiales, es posible que el índice de refracción para ser más pequeño que 1 para algunas frecuencias; en algunos materiales exóticos incluso es posible para el índice de refracción para convertirse en negativo. El requisito de que la causalidad no se viola implica que las partes real e imaginaria de la constante dieléctrica de cualquier material, que corresponden respectivamente a el índice de refracción y la coeficiente de atenuación, están vinculados por el Las relaciones de Kramers-Kronig. En términos prácticos, esto significa que en un material con índice de refracción menor que 1, la absorción de la onda es tan rápido que no hay señal se puede enviar más rápido que c.
Un pulso con diferentes velocidades de grupo y de fase (que se produce si la velocidad de fase no es el mismo para todas las frecuencias del pulso) Los frotis con el tiempo, un proceso conocido como dispersión. Ciertos materiales tienen una velocidad excepcionalmente bajo (o incluso cero) de grupo para las ondas de luz, un fenómeno llamado luz lenta, que ha sido confirmado en varios experimentos. Las velocidades opuestas, grupo superiores a c, también se ha demostrado en el experimento. Se debe incluso ser posible que la velocidad de grupo para ser infinita o negativo, con pulsos viajan instantáneamente o hacia atrás en el tiempo.
Ninguna de estas opciones, sin embargo, permite la transmisión de información más rápido que c. Es imposible para transmitir información con una luz de pulso más rápido que la velocidad de la primera parte del pulso (el velocidad del frente). Se puede demostrar que esto es (bajo ciertos supuestos) siempre igual a c.
Es posible para una partícula de viajar a través de un medio más rápido que la velocidad de fase de la luz en ese medio (pero aún más lento que c). Cuando una partícula cargada hace que en una material dieléctrico, el equivalente electromagnética de una onda de choque, conocida como Radiación Cherenkov, se emite.
Efectos prácticos de la finitud
La velocidad de la luz es de relevancia para las comunicaciones : el de un solo sentido y de ida y vuelta el tiempo de retardo es mayor que cero. Esto se aplica, desde pequeñas a escalas astronómicas. Por otro lado, algunas técnicas dependen de la velocidad finita de la luz, por ejemplo en mediciones de distancia.
Escamas pequeñas
En superordenadores, la velocidad de la luz impone un límite en la cantidad de datos de forma rápida se pueden enviar entre procesadores . Si un procesador funciona a 1 gigahercios, una señal sólo puede viajar un máximo de aproximadamente 30 centímetros (1 pie) en un solo ciclo. Por lo tanto, los procesadores deben ser colocados cerca uno del otro para minimizar las latencias de comunicación; esto puede causar dificultad con enfriamiento. Si las frecuencias de reloj continúan aumentando, la velocidad de la luz con el tiempo se convertirá en un factor limitante para el diseño interno de un solo fichas .
Las grandes distancias de la Tierra
Por ejemplo, dada la circunferencia ecuatorial de la Tierra es de aproximadamente 40.075 kilometros y c alrededor de 300.000 km / s, el menor tiempo teórico para una pieza de información que viajar la mitad del globo a lo largo de la superficie es de unos 67 milisegundos. Cuando la luz viaja en todo el mundo en una fibra óptica , el tiempo de tránsito real es más largo, en parte porque la velocidad de la luz es más lenta en aproximadamente un 35% en una fibra óptica, dependiendo de su índice de refracción n. Además, las líneas rectas rara vez se producen en situaciones de comunicaciones globales, y los retrasos se crean cuando la señal pasa a través de un interruptor o señal regenerador electrónico.
Vuelos espaciales y la astronomía
Del mismo modo, las comunicaciones entre la Tierra y la nave no son instantáneos. Hay una pequeña demora desde la fuente hasta el receptor, que se hace más notable ya que las distancias se incrementan. Este retraso fue significativa para las comunicaciones entre control de tierra y Apolo 8 cuando se convirtió en la primera nave espacial tripulada en órbita alrededor de la Luna: para cada pregunta, la estación de control de tierra tuvo que esperar al menos tres segundos para la respuesta a llegar. El retraso comunicaciones entre la Tierra y Marte puede variar entre cinco y veinte minutos, dependiendo de las posiciones relativas de los dos planetas. Como consecuencia de esto, si un robot en la superficie de Marte fuera a encontrarse con un problema, sus controladores humanos no serían conscientes de ello hasta que, al menos, cinco minutos más tarde, y posiblemente hasta veinte minutos más tarde; que le tome un período de cinco a veinte minutos para las instrucciones para viajar de la Tierra a Marte.
NASA debe esperar varias horas de información de una sonda que orbita a Júpiter, y si es necesario corregir un error de navegación, la solución no va a llegar a la nave espacial de una cantidad igual de tiempo, creando un riesgo de que la corrección no llegar a tiempo.
Recepción de la luz y otras señales de fuentes astronómicos distantes incluso puede tomar mucho más tiempo. Por ejemplo, se ha tardado 13 mil millones (13 × 10 9) años para que la luz viaje a la Tierra desde las galaxias lejanas vistos en el Imágenes Campo Profundo del Hubble Ultra. Esas fotografías, tomadas hoy, capturar imágenes de las galaxias como aparecieron hace 13 millones de años, cuando el universo tenía menos de mil millones de años de antigüedad. El hecho de que los objetos más distantes parecen ser más jóvenes, debido a la velocidad finita de la luz, permite a los astrónomos inferir la evolución de las estrellas, de las galaxias, y del universo mismo.
Las distancias astronómicas a veces se expresan en años luz, especialmente en populares publicaciones de ciencia y medios de comunicación. Un año luz es la distancia que recorre la luz en un año, alrededor de 9461 mil millones kilometros, 5879000000000 millas, o 0.3066 parsecs. En números redondos, un año luz es cerca de 10 billón kilometros o casi 6000000000000 millas. Proxima Centauri , la estrella más cercana a la Tierra después del Sol, se encuentra a unos 4,2 años luz de distancia.
Medición de la distancia
Radar sistemas de medir la distancia a un objetivo por el tiempo que tarda un pulso de onda de radio para volver a la antena del radar después de ser reflejada por el blanco: la distancia a la diana es la mitad de la ida y vuelta del tiempo de tránsito multiplicado por la velocidad de la luz . La Sistema de Posicionamiento Global (GPS) mide su distancia a los satélites GPS basándose en el tiempo que tarda una señal de radio para llegar desde cada satélite, y de estas distancias calcula la posición del receptor. Debido a que la luz viaja a unos 300.000 kilómetros (186.000 millas) en un segundo, estas mediciones de pequeñas fracciones de segundo deben ser muy precisos. La Lunar Laser Ranging Experimento, astronomía de radar y la Red de Espacio Profundo determinar las distancias a la Luna, los planetas y naves espaciales, respectivamente, mediante la medición de los tiempos de tránsito de ida y vuelta.
Medición
Hay diferentes formas de determinar el valor de c. Una manera es medir la velocidad real a la que se propagan las ondas de luz, que se puede hacer de varias configuraciones astronómicas y terrestres. Sin embargo, también es posible determinar c de otras leyes físicas donde aparece, por ejemplo, mediante la determinación de los valores de las constantes electromagnéticas ε 0 y μ 0 y el uso de su relación con el c. Históricamente, los resultados más precisos se han obtenido mediante la determinación por separado la frecuencia y la longitud de onda de un haz de luz, con su producto igualando c.
En 1983 se definió el medidor como "la longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299,792,458 de un segundo", fijando el valor de la velocidad de la luz en 299.792.458 m / s, por definición, como se describe a continuación . En consecuencia, las mediciones precisas de la velocidad de la luz producen una realización exacta de la metro en lugar de un valor preciso de c.
Mediciones astronómicas
El espacio exterior es un ajuste natural para la medición de la velocidad de la luz debido a su gran escala y casi perfecto vacío. Típicamente, se mide el tiempo necesario para que la luz atraviese cierta distancia de referencia en el sistema solar , tales como el radio de la órbita de la Tierra. Históricamente, tales mediciones podrían hacerse con bastante precisión, en comparación con la precisión con la que se conoce la longitud de la distancia de referencia en unidades de base en la Tierra. Es habitual para expresar los resultados en unidades astronómicas (UA) por día. Una unidad astronómica es aproximadamente la distancia media entre la Tierra y el Sol; no se basa en la Sistema Internacional de Unidades. Debido a la UA determina una longitud real, y no se basa en el tiempo de vuelo como las unidades del SI, las mediciones modernas de la velocidad de la luz en unidades astronómicas por día se pueden comparar con el valor definido de c en el Sistema Internacional de Unidades .
Ole Christensen Rømer utiliza una medición astronómico para hacer la primera estimación cuantitativa de la velocidad de la luz. Cuando se mide desde la Tierra, los períodos de lunas orbitando un planeta distante son más cortos cuando la Tierra se está acercando al planeta que cuando la Tierra se aleja de ella. La distancia recorrida por la luz del planeta (o su luna) a la Tierra es más corto cuando la Tierra está en el punto de su órbita más cercano a su planeta que cuando la Tierra se encuentra en el punto más lejano de su órbita, la diferencia en la distancia siendo el diámetro de la órbita de la Tierra alrededor del Sol El cambio observado en el periodo orbital de la luna es en realidad la diferencia en el tiempo que tarda la luz en recorrer la distancia más corta o más larga. Rømer observó este efecto de Júpiter luna más interior 's Io y dedujo que la luz tarda 22 minutos para cruzar el diámetro de la órbita de la Tierra.
Otro método es utilizar la aberración de la luz , descubrió y explica por James Bradley en el siglo 18. Este efecto resulta de la suma de vectores de la velocidad de la luz que llega de una fuente distante (como una estrella) y la velocidad de su observador (ver diagrama de la derecha). Así, un observador que se mueve ve la luz procedente de una dirección ligeramente diferente y por lo tanto ve la fuente en una posición desplazada de su posición original. Desde la dirección de la velocidad de la Tierra cambia continuamente a medida que la Tierra gira alrededor del Sol, este efecto hace que la posición aparente de las estrellas para moverse. A partir de la diferencia angular en la posición de las estrellas (como máximo 20,5 segundos de arco) es posible expresar la velocidad de la luz en términos de velocidad de la Tierra alrededor del Sol, que con la longitud conocida de un año se puede convertir fácilmente en el tiempo necesario para viajar desde el Sol a la Tierra. En 1729, Bradley utiliza este método para obtener esa luz viajó 10.210 veces más rápido que la Tierra en su órbita (la figura moderna es 10.066 veces más rápido) o, equivalentemente, que tomaría luz 8 minutos 12 segundos para viajar desde el Sol a la Tierra.
Hoy en día, el "tiempo de la luz por unidad de distancia", la inversa de la c , expresado en segundos por astronómica unidad se mide comparando el tiempo para que las señales de radio para llegar a diferentes naves espaciales en el Sistema Solar, con su posición calculada a partir de los efectos gravitacionales de Sol y de varios planetas. Mediante la combinación de muchas de estas medidas, una se obtiene el mejor valor en forma para el tiempo de la luz por unidad de distancia. A partir de 2009, la mejor estimación, según lo aprobado por la Unión Astronómica Internacional (UAI), es:
- tiempo de luz por unidad de distancia:499,004783836 (10) s
- c=0,00200398880410 (4) AU / s=173,144632674 (3) AU / día.
La incertidumbre relativa en estas mediciones es 0,02 partes por mil millones (2 × 10 -11 ), equivalente a la incertidumbre en las mediciones de base en la Tierra de longitud por interferometría. Dado que el metro se define como la longitud recorrida por la luz en un cierto intervalo de tiempo, la medición del tiempo de la luz por unidad de distancia también puede interpretarse como la medición de la longitud de una AU en metros.
Tiempo de técnicas de vuelo
Un método para medir la velocidad de la luz es medir el tiempo necesario para que la luz viaje a un espejo a una distancia conocida y la espalda. Este es el principio de funcionamiento detrás del aparato de Fizeau-Foucault desarrollada por Hippolyte Fizeau y Léon Foucault.
La configuración como el usado por Fizeau consiste en un haz de luz dirigido a un espejo de 8 kilómetros (5 millas) de distancia. En el camino desde la fuente hasta el espejo, el haz pasa a través de una rueda dentada giratoria. A cierta velocidad de rotación, el haz pasa a través de una brecha en la salida y otro en el camino de regreso, pero a tasas ligeramente más altas o más bajas, el rayo golpea un diente y no pasa a través de la rueda. Conociendo la distancia entre la rueda y el espejo, el número de dientes en la rueda, y la velocidad de rotación, la velocidad de la luz puede ser calculado.
El método de Foucault sustituye a la rueda dentada por un espejo giratorio. Debido a que el espejo sigue girando mientras que la luz viaja hacia el espejo lejano y vuelta, la luz es reflejada por el espejo giratorio en un ángulo diferente en su salida de lo que está en su camino de regreso. A partir de esta diferencia en el ángulo, la velocidad de la luz se pueden calcular la velocidad conocida de rotación y la distancia hasta el espejo distante.
Hoy en día, el uso de osciloscopios con las resoluciones de tiempo de menos de un nanosegundo, la velocidad de la luz se puede medir directamente por el momento el retardo de un impulso de luz de un láser o un LED reflejada por un espejo. Este método es menos preciso (con errores del orden de 1%) que otras técnicas modernas, pero se utiliza a veces como un experimento de laboratorio en las clases de física en la universidad.
Constantes electromagnéticas
Una opción para derivar c que no dependen directamente de una medición de la propagación de ondas electromagnéticas es utilizar la relación entre c y la permitividad del vacío ε 0 y la permeabilidad de vacío μ 0 establecido por la teoría de Maxwell: c 2 = 1 / ( varepsilon 0 mu 0 ). La permitividad del vacío puede ser determinada por la medición de la capacitancia y dimensiones de un condensador, mientras que el valor de la permeabilidad de vacío se fija en exactamente 4π × 10 -7 H · m -1 a través de la definición de la amperio. Rosa y Dorsey utilizan este método en 1907 para encontrar un valor de 299.710 ± 22 kilometros / s .
Resonancia de la cavidad
Otra forma de medir la velocidad de la luz es medir independientemente la frecuencia f y la longitud de onda λ de una onda electromagnética en el vacío. El valor de c puede entonces ser encontrado mediante el uso de la relación c = fλ . Una opción es medir la frecuencia de resonancia de un resonador de cavidad. Si también se conocen las dimensiones de la cavidad de resonancia, estos pueden ser utilizados determinar la longitud de onda de la onda. En 1946, Louis Essen y AC Gordon-Smith establecen la frecuencia para una variedad de modos normales de microondas de una cavidad de microondas de dimensiones conocidas con precisión. Las dimensiones se establecieron con una precisión de alrededor de ± 0,8 micras utilizando indicadores calibrados por interferometría. Como la longitud de onda de los modos se conoce a partir de la geometría de la cavidad y de la teoría electromagnética , el conocimiento de las frecuencias asociadas activar un cálculo de la velocidad de la luz.
El resultado Essen-Gordon-Smith, 299.792 ± 9 kilometros / s , fue sustancialmente más preciso que los encontrados por técnicas ópticas. En 1950, las mediciones repetidas Essen establecieron un resultado de 299,792.5 ± 3,0 kilometros / s .
Una demostración de la casa de esta técnica es posible, el uso de un horno de microondas y los alimentos tales como malvaviscos o margarina: si se retira el plato giratorio para que la comida no se mueve, va a cocinar el más rápido en los vientres (los puntos en los que la amplitud de la onda es el más grande), donde comenzará a derretirse. La distancia entre dos de tales puntos es la mitad de la longitud de onda de las microondas; midiendo esta distancia y multiplicando la longitud de onda por la frecuencia de microondas (normalmente aparece en la parte posterior del horno, típicamente 2.450 MHz), el valor de c se puede calcular ", a menudo con error de menos de 5%".
Interferometría
La interferometría es otro método para encontrar la longitud de onda de la radiación electromagnética para determinar la velocidad de la luz. La haz de luz coherente (por ejemplo, de un láser ), con una frecuencia conocida ( f ), se divide a seguir dos caminos y luego recombinado. Mediante el ajuste de la longitud del camino mientras se observa el patrón de interferencia y medir cuidadosamente el cambio en la longitud de la trayectoria, la longitud de onda de la luz ( λ ) se puede determinar. La velocidad de la luz se calcula utilizando la ecuación c = λf .
Antes de la llegada de la tecnología láser, coherentes de radio se utilizaron fuentes para las mediciones de interferometría de la velocidad de la luz. Sin embargo determinación interferométrico de longitud de onda se hace menos preciso con longitud de onda y los experimentos se limita por lo tanto en la precisión de la longitud de onda larga (~ 0,4 cm) de las ondas de radio. La precisión puede ser mejorada mediante el uso de la luz con una longitud de onda más corta, pero a continuación, se hace difícil medir directamente la frecuencia de la luz. Una forma de evitar este problema es comenzar con una señal de baja frecuencia de la que la frecuencia se puede medir con precisión, y de esta señal de sintetizar progresivamente señales de frecuencias superiores, cuya frecuencia puede entonces estar relacionado con la señal original. Un láser puede entonces ser bloqueado a la frecuencia, y su longitud de onda se puede determinar usando interferometría. Esta técnica se debió a un grupo en el National Bureau of Standards (NBS) (que más tarde se convirtió en el NIST). Lo utilizaron en 1972 para medir la velocidad de la luz en el vacío con una incertidumbre fraccionaria de 3,5 × 10 -9 .
Historia
| 1675 | Romer yHuygens, lunas de Júpiter | 220000 |
| 1729 | James Bradley, la aberración de la luz | 301000 |
| 1849 | Hippolyte Fizeau, rueda dentada | 315000 |
| 1862 | Léon Foucault, espejo giratorio | 298 000±500 |
| 1907 | Rosa y Dorsey,EMconstantes | 299 710±30 |
| 1926 | Albert Michelson, espejo giratorio | 299 796±4 |
| 1950 | Essen y Gordon-Smith, resonador de cavidad | 299,792.5±3,0 |
| 1958 | KD Froome, interferometría de radio | 299,792.50±0,10 |
| 1972 | Evensonet al., interferometría láser | 299,792.4562±0.0011 |
| 1983 | 17a CGPM, definición del metro | 299,792.458(exacta) |
Hasta el Edad Moderna, no se sabía si la luz viaja instantáneamente o a una velocidad finita muy rápido. El primer examen existente registrada de este tema estuvo en la antigua Grecia . Los antiguos griegos, académicos y científicos musulmanes europeos clásicos tiempo debatiendo esto hasta Rømer proporcionó el primer cálculo de la velocidad de la luz. Teoría de la Relatividad Especial de Einstein llegó a la conclusión de que la velocidad de la luz es constante, independientemente de marco de referencia de uno. Desde entonces, los científicos han proporcionado mediciones cada vez más precisas.
Historia temprana
Empédocles fue el primero en afirmar que la luz tiene una velocidad finita. Sostuvo que la luz era algo en movimiento, y por lo tanto debe tomar algún tiempo para viajar. Aristóteles argumentó, por el contrario, que "la luz se debe a la presencia de algo, pero no es un movimiento". Euclides y Tolomeo avanzó la emisión teoría de la visión, donde la luz se emite desde el ojo, permitiendo así a la vista. Sobre la base de esa teoría, Herón de Alejandría argumentó que la velocidad de la luz debe ser infinita porque los objetos distantes como las estrellas aparecen inmediatamente después de abrir los ojos.
Los primeros filósofos islámicos inicialmente de acuerdo con la visión aristotélica de que la luz no tenía la velocidad de la marcha. En 1021, Alhazen (Ibn al-Haytham) publicó el libro de Óptica , en la que presentó una serie de argumentos despedir la teoría de la emisión a favor de la teoría de la intromisión ahora aceptada de visión, en la que la luz se mueve a partir de un objeto en el ojo. Esto llevó Alhazen proponer esa luz debe tener una velocidad finita, y que la velocidad de la luz es variable, disminuyendo en cuerpos más densos. Sostuvo que la luz es la materia sustancial, la propagación de las cuales requiere de tiempo, incluso si esto se oculta a nuestros sentidos. También en el siglo 11, Al-Biruni acordado que la luz tiene una velocidad finita, y observó que la velocidad de la luz es mucho más rápido que la velocidad del sonido.
En el siglo 13, Roger Bacon argumentó que la velocidad de la luz en el aire no era infinita, con argumentos filosóficos respaldados por la escritura de Alhazen y Aristóteles. En la década de 1270, Witelo consideró la posibilidad de la luz que viaja a velocidad infinita en el vacío, pero la desaceleración en los cuerpos más densos.
A principios del siglo 17, de Johannes Kepler creía que la velocidad de la luz era infinita, ya que el espacio vacío no presenta ningún obstáculo para ello. René Descartes argumentó que si la velocidad de la luz era finita, el Sol, la Tierra y la Luna sería notablemente de alineación durante un eclipse lunar . Debido a que no se había observado tal desalineación, Descartes llegó a la conclusión de la velocidad de la luz era infinita. Descartes especuló que si se encontrara la velocidad de la luz para ser finito, podría ser demolido todo su sistema filosófico.
Intentos primera medición
En 1629, Isaac Beeckman propuso un experimento en el que una persona observa el destello de un cañón que se refleja en un espejo cerca de una milla (1,6 km) de distancia. En 1638, Galileo Galilei propuso un experimento, con una aparente pretensión de haber realizado que algunos años antes, para medir la velocidad de la luz al observar el retraso entre el descubrimiento de una linterna y su percepción a cierta distancia. No fue capaz de distinguir si viaja la luz fue instantánea o no, pero llegó a la conclusión de que si no lo fuera, no obstante, debe ser extraordinariamente rápido. El experimento de Galileo fue llevado a cabo por la Accademia del Cimento de Florencia, Italia, en 1667, con las linternas separadas por cerca de una milla, pero no se observó ninguna demora. El actual retraso en este experimento habría sido de unos 11 microsegundos.
La primera estimación cuantitativa de la velocidad de la luz se hizo en 1676 por Rømer (ver la determinación de Rømer de la velocidad de la luz). A partir de la observación de que los períodos de luna más interior de Júpiter Io parecían ser más corto cuando la Tierra se acercaba a Júpiter que cuando retroceso de ella, concluyó que la luz viaja a una velocidad finita, y estimó que la luz tarda 22 minutos para cruzar el diámetro de La órbita de la Tierra. Christiaan Huygens combina esta estimación con una estimación para el diámetro de la órbita de la Tierra para obtener una estimación de la velocidad de la luz de 220.000 kilometros / s , un 26% más bajo que el valor real.
En sus 1.704 libros Óptica , Isaac Newton informó cálculos de Romer de la velocidad finita de la luz y le dio un valor de "siete u ocho minutos" por el tiempo que tarda la luz en viajar desde el Sol a la Tierra (el valor moderno está a 8 minutos 19 segundos). Newton preguntó si eran de color sombras de eclipses de Romer; oyendo que no eran, concluyó los diferentes colores viajaron a la misma velocidad. En 1729, James Bradley descubrió la aberración de la luz . De este efecto se determinó que la luz debe viajar 10.210 veces más rápido que la Tierra en su órbita (la figura moderna es 10.066 veces más rápido) o, equivalentemente, que tomaría luz 8 minutos 12 segundos en viajar desde el Sol a la Tierra.
Las conexiones con el electromagnetismo
En el siglo 19 Hippolyte Fizeau desarrolló un método para determinar la velocidad de la luz en base a mediciones de tiempo de vuelo en la Tierra y reportó un valor de 315,000 kilometros / s . Su método fue mejorado por Léon Foucault que obtuvo un valor de 298,000 kilometros / s en 1862. En el año 1856, Wilhelm Eduard Weber y Rudolf Kohlrausch mide la relación de las unidades electromagnéticas y electrostáticas de carga, 1 / √ varepsilon 0 mu 0 , mediante la descarga de una botella de Leyden , y encontró que su valor numérico estaba muy cerca de la velocidad de la luz medido directamente por Fizeau. El año siguiente Gustav Kirchhoff calcula que una señal eléctrica en un sin resistencia de alambre se desplaza a lo largo del alambre a esta velocidad. A principios de la década de 1860, Maxwell mostró que de acuerdo con la teoría del electromagnetismo que estaba trabajando, que las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío a una velocidad igual a la anterior relación de Weber / Kohrausch, y llamar la atención sobre la proximidad numérica de este valor a la velocidad de la luz medida por Fizeau, propuso que la luz es en realidad una onda electromagnética.
"Éter luminoso"
Se pensó en el momento en que el espacio vacío se llena con un medio fondo llamado el éter luminoso en el que existió el campo electromagnético. Algunos físicos pensaban que este éter actuó como marco preferente de referencia para la propagación de la luz y por lo tanto debería ser posible medir el movimiento de la Tierra con respecto a este medio, midiendo la isotropía de la velocidad de la luz. A partir de la década de 1880 varios experimentos se llevaron a cabo para tratar de detectar este movimiento, el más famoso de los cuales es el experimento realizado por Albert Michelson y Edward Morley en 1887. El movimiento detectado fue siempre menor que el error de observación. Experimentos modernos indican que la velocidad de doble vía de la luz es isótropo (la misma en todas las direcciones) a un plazo de 6 nanómetros por segundo. Debido a este experimento Hendrik Lorentz propuso que el movimiento del aparato a través del éter puede causar que el aparato para contraerse a lo largo de su longitud en la dirección del movimiento, y que supone además, que la variable de tiempo para los sistemas en movimiento también se debe cambiar en consecuencia (" hora local "), lo que llevó a la formulación de la transformación de Lorentz. Basado en teoría del éter de Lorentz, Henri Poincaré (1900) mostró que esta hora local (a la primera orden en v / c) está indicado por los relojes que se mueven en el éter, que se sincronizan bajo el supuesto de velocidad de la luz constante. En 1904, se especuló que la velocidad de la luz podría ser una velocidad límite en la dinámica, siempre que los supuestos de la teoría de Lorentz se confirmaron. En 1905, Poincaré trajo teoría del éter de Lorentz en acuerdo total con la observación principio de la relatividad.
La relatividad especial
En 1905 Einstein postuló desde el principio que la velocidad de la luz en el vacío, medida por un observador que no acelera, es independiente del movimiento de la fuente o el observador. El uso de este y el principio de la relatividad como base derivó la teoría especial de la relatividad , en la que la velocidad de la luz en el vacío c aparece como una constante fundamental, que también aparece en contextos ajenos a la luz. Esto hizo que el concepto del éter estacionario (a la que Lorentz y Poincaré todavía adheridas) inútil y revolucionó los conceptos de espacio y tiempo.
Mayor precisión de lacy la redefinición del metro
En la segunda mitad del siglo 20 un gran progreso se hizo en el aumento de la precisión de las mediciones de la velocidad de la luz, primero por medio de técnicas de resonancia de la cavidad y posteriormente mediante técnicas de interferometría láser. En 1972, el uso de este último método y la definición 1960 del metro en términos de una línea espectral particular de criptón-86, un grupo en el NBS en Boulder, Colorado determina la velocidad de la luz en el vacío para ser c = 299,792,456.2 ± 1,1 m / s . Este fue 100 veces menos incierto que el valor previamente aceptada. La incertidumbre restante se debió principalmente a la definición del metro. Desde experimentos similares encontraron resultados comparables para c , la 15a Conferencia General de Pesas y Medidas (CGPM) en 1975 recomendó utilizar el valor de 299.792.458 m / s para la velocidad de la luz.
En 1983, la 17a CGPM redefinió el metro por lo tanto, "El metro es la longitud del trayecto recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 de segundo." Como resultado de esta definición, el valor de la velocidad de la luz en el vacío es exactamente 299.792.458 m / s y se ha convertido en una constante definida en el sistema SI de unidades. La mejora de las técnicas experimentales no afectan el valor de la velocidad de la luz en unidades del SI, pero en vez permiten una realización más precisa de la metro.
