Documental la velocidad de la luz - de History Channel en Español HD

- LA VELOCIDAD DE LA LUZ

Velocidad de la luz
Tiempo aproximado del recorrido de la luz entre el Sol y la Tierra: 8 min 20 s
Valores exactos
metros por segundo	299 792 458
Unidades de Planck	1
Valores aproximados
kilómetros por segundo	300 000
millas por segundo	186 000
kilómetros por hora	1 080 000 000
Unidad astronómica por día	173
Duración aproximada del tiempo que tarda la luz en recorrer
Distancia:	Tiempo:
un metro	3,34 ns
un kilómetro	3,34 μs
desde la órbita geoestacionaria a la Tierra	119 ms
la longitud del Ecuador terrestre	134 ms
desde la Luna a la Tierra	1,28 segundos
desde el Sol a la Tierra (1 ua)	8,32 min
un parsec	3,26 años
desde Alfa Centauri a la Tierra	4,37 años
desde la galaxia más cercana a la Tierra	25 000 años
a través de la Vía Láctea	100 000 años
desde la galaxia de Andrómeda a la Tierra	2 600 000 años
desde la Tierra hasta el borde del universo observable	46 500 000 000 años

 

La velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de valor 299 792 458 m/s

La velocidad de la luz en el vacío es por definición una constante universal de valor 299 792 458 m/s(aproximadamente 186 282,397 millas/s)²​³​(suele aproximarse a 3·10⁸ m/s), o lo que es lo mismo 9,46·10¹⁵m/año; la segunda cifra es la usada para definir la unidad de longitud llamada año luz.

Se simboliza con la letra c, proveniente del latín celéritās (en español celeridad o rapidez).

El valor de la velocidad de la luz en el vacío fue incluido oficialmente en el Sistema Internacional de Unidadescomo constante el 21 de octubre de 1983,⁴​ pasando así el metro a ser una unidad derivada de esta constante.

La rapidez a través de un medio que no sea el "vacío" depende de su permitividad eléctrica, de su permeabilidad magnética, y otras características electromagnéticas. En medios materiales, esta velocidad es inferior a "c" y queda codificada en el índice de refracción. En modificaciones del vacío más sutiles, como espacios curvos, efecto Casimir, poblaciones térmicas o presencia de campos externos, la velocidad de la luz depende de la densidad de energía de ese vacío.

De acuerdo con la física moderna toda radiación electromagnética (incluida la luz visible) se propaga o mueve con una rapidez constante en el vacío, conocida común —aunque impropiamente^{[cita requerida]}— como "velocidad de la luz" (magnitud vectorial), en vez de "rapidez de la luz" (magnitud escalar). Esta es una constante física denotada como c. La rapidez c es también la rapidez de la propagación de la gravedad en la teoría general de la relatividad.

Una consecuencia que se obtiene a partir de las leyes del electromagnetismo (tales como las ecuaciones de Maxwell) es que la rapidez c de la radiación electromagnética no depende de la rapidez del objeto que emite tal radiación. Así, por ejemplo, la luz emitida por una fuente de luz que se mueve muy rápidamente, viajaría con la misma rapidez que la luz proveniente de una fuente estacionaria (aunque el color, la frecuencia, la energía y el momentum de la luz cambiarán; fenómeno que se conoce como efecto Doppler).

Si se combina esta observación con el principio de relatividad, se concluye que todos los observadores medirán la rapidez de la luz en el vacío como una misma cantidad, sin importar el marco de referencia del observador o la rapidez del objeto que emite la luz. Debido a esto, se puede ver a c como una constante física fundamental. Este hecho, entonces, puede ser usado como base en la teoría de la relatividad especial. La constante es la rapidez c, en vez de la luz en sí misma, lo cual es fundamental para la relatividad especial. De este modo, si la luz es de alguna manera retardada para viajar a una rapidez menor de c, esto no afectará directamente a la teoría de la relatividad especial.

Observadores que viajan con gran rapidez encontrarán que las distancias y los tiempos se distorsionan de acuerdo con la transformación de Lorentz. Sin embargo, las transformaciones distorsionan tiempos y distancias de manera que la rapidez de la luz permanece constante. Una persona viajando con una rapidez cercana a c también encontrará que los colores de la luz al frente se tornan azules y atrás se tornan rojos.

Si la información pudiese viajar más rápido que c en un marco de referencia, la causalidad sería violada: en otros marcos de referencia, la información sería recibida antes de ser mandada; así, la causa podría ser observada después del efecto. Debido a la dilatación del tiempo de la relatividad especial, el cociente del tiempo percibido entre un observador externo y el tiempo percibido por un observador que se mueve cada vez más cerca de la rapidez de la luz se aproxima a cero. Si algo pudiera moverse más rápidamente que la luz, este cociente no sería un número real. Tal violación de la causalidad nunca se ha observado.

Un cono de luz define la ubicación que está en contacto causal y aquellas que no lo están. Para exponerlo de otro modo, la información se propaga de y hacia un punto de regiones definidas por un cono de luz. El intervalo AB en el diagrama a la derecha es de "tipo tiempo" (es decir, hay un marco de referencia en el que los acontecimientos A y B ocurren en la misma ubicación en el espacio, separados solamente por su ocurrencia en tiempos diferentes, y si A precede a B en ese marco entonces A precede a B en todos los marcos: no hay marco de referencia en el cual el evento A y el evento B ocurren simultáneamente). De este modo, es hipotéticamente posible para la materia (o la información) viajar de A hacia B, así que puede haber una relación causal (con A la causa y B el efecto).

Por otra parte, el intervalo AC es de "tipo espacio"^{[cita requerida]} (es decir, existe un marco de referencia donde el evento A y el evento C ocurren simultáneamente). Sin embargo, también existen marcos en los que A precede a C, o en los que C precede a A. Confinando una manera de viajar más rápido que la luz, no será posible para ninguna materia (o información) viajar de A hacia C o de C hacia A. De este modo no hay conexión causal entre A y C.

En acuerdo con la definición actual, adoptada en 1983, la rapidez de la luz es exactamente 299 792 458 m/s (aproximadamente 3 × 10⁸ metros por segundo, 300 000 km/s o 300 m por millonésima de s).

El valor de c define la permitividad eléctrica del vacío (${\displaystyle \varepsilon _{0}}$) en unidades del SIU como:

${\displaystyle \varepsilon _{0}=10^{7}/4\pi c^{2}\quad \mathrm {(en~A^{2}\,s^{4}\,kg^{-1}\,m^{-3}=F\,m^{-1})} }$

La permeabilidad magnética del vacío (${\displaystyle \mu _{0}}$) no es dependiente de c y es definida en unidades del SIU como:

${\displaystyle \mu _{0}=4\,\pi \,10^{-7}\quad \mathrm {(en~kg\,m\,s^{-2}\,A^{-2}=N\,A^{-2})} }$.

Estas constantes aparecen en las ecuaciones de Maxwell, que describen el electromagnetismo y están relacionadas por:

${\displaystyle c={\frac {1}{\sqrt {\varepsilon _{0}\mu _{0}}}}}$

Las distancias astronómicas son normalmente medidas en años luz (que es la distancia que recorre la luz en un año, aproximadamente 9.46 × 10¹² km (9.46 billones de km).

Definición del metro

Históricamente, el metro ha sido definido como la diezmillonésima parte de la longitud del arco de meridiano terrestre comprendido entre el polo norte y el ecuador a través de París, con referencia a la barra estándar, y con referencia a una longitud de onda de una frecuencia particular de la luz. Desde 1983 el metro ha sido definido en referencia al segundo y la velocidad de la luz.

En 1967 la XIII Conferencia General de Pesos y Medidas definió el segundo del tiempo atómico como la duración de 9 192 631 770 períodos de radiación correspondiente a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo cesio-133, que en la actualidad sigue siendo la definición del segundo.

En 1983 la Conferencia General de Pesos y Medidas definió el metro como la longitud de la trayectoria viajada por la luz en absoluto vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 de segundo, basándose en la constancia de la rapidez de la luz para todos los observadores. Esto significa que al medir la rapidez de la luz, al hallar cualquier diferencia medible de los valores definidos, entonces la longitud de tiempo estándar es incorrecta, o está exhibiendo un cambio desde el último momento en que fue medida. Si tal cambio fuese real en la física, y no un error adjudicable a una perturbación (como un cambio de temperatura o un choque mecánico), entonces se habría hecho un importante descubrimiento.

La motivación en el cambio de la definición del metro, así como todos los cambios en la definición de unidades, fue proveer una definición precisa de la unidad que pudiese ser fácilmente usada para calibrar homogéneamente dispositivos en todo el mundo. La barra estándar no era práctica en este sentido, ya que no podía ser sacada de su cámara o utilizada por dos científicos al mismo tiempo. También era propensa a cambios masivos de longitud (comparados a la exactitud requerida) debido a variaciones de temperatura, por lo que requirió un largo tiempo de ajustes, desgaste de los extremos, oxidación, etc., lo que se convirtió en importantes problemas en la búsqueda de la exactitud perfecta.

Comunicaciones

Tiempos de retardo de la señal GPS en función de la distancia de los satélites al observador, lo que permite calcular su posición

La rapidez de la luz es de gran importancia para las telecomunicaciones. Por ejemplo, dado que el perímetro de la Tierraes de 40 075 km (en la línea ecuatorial) y c es teóricamente la velocidad más rápida en la que un fragmento de información puede viajar, el período más corto de tiempo para llegar al otro extremo del globo terráqueo sería 0.067 s.

En realidad, el tiempo de viaje es un poco más largo, en parte debido a que la velocidad de la luz es cerca de un 30% menor en una fibra óptica, y raramente existen trayectorias rectas en las comunicaciones globales; además se producen retrasos cuando la señal pasa a través de interruptores eléctricos o generadores de señales. En 2004, el retardo típico de recepción de señales desde Australia o Japón hacia los EE.UU. era de 0.18 s. Adicionalmente, la velocidad de la luz afecta al diseño de las comunicaciones inalámbricas.

La velocidad finita de la luz se hizo aparente a todo el mundo en el control de comunicaciones entre el Control Terrestre de Houston y Neil Armstrong, cuando este se convirtió en el primer hombre que puso un pie sobre la Luna: después de cada pregunta, Houston tenía que esperar cerca de 3 s para el regreso de una respuesta aun cuando los astronautas respondían inmediatamente.

De manera similar, el control remoto instantáneo de una nave interplanetaria es imposible debido a que una nave suficientemente alejada de nuestro planeta podría tardar algunas horas desde que envía información al centro de control terrestre y recibe las instrucciones.

La velocidad de la luz también puede tener influencia en distancias cortas. En los superordenadores la velocidad de la luz impone un límite de rapidez a la que pueden ser enviados los datos entre procesadores. Si un procesador opera a 1 GHz, la señal solo puede viajar a un máximo de 300 mm en un ciclo único. Por lo tanto, los procesadores deben ser colocados cerca uno de otro para minimizar los retrasos de comunicación. Si las frecuencias de un reloj continúan incrementándose, la rapidez de la luz finalmente se convertirá en un factor límite para el diseño interno de chips individuales.

Física

Velocidad constante para todos los marcos de referencia

Es importante observar que la velocidad de la luz no es un límite de velocidad en el sentido convencional. Un observador que persigue un rayo de luz lo mediría al moverse paralelamente él mismo viajando a la misma velocidad como si fuese un observador estacionario. Esto se debe a que la velocidad medida por este observador depende no solo de la diferencia de distancias recorridas por él y por el rayo, sino también de su tiempo propio que se ralentiza con la velocidad del observador. La ralentización del tiempo o dilatación temporal para el observador es tal que siempre percibirá a un rayo de luz moviéndose a la misma velocidad.

La mayoría de los individuos están acostumbrados a la regla de la adición de velocidades: si dos coches se acercan desde direcciones opuestas, cada uno viajando a una velocidad de 50 km/h, se esperaría (con un alto grado de precisión) que cada coche percibiría al otro en una velocidad combinada de 50 + 50=100 km/h. Esto sería correcto en todos los casos si pudieramos ignorar que la medida física del tiempo transcurrido es relativa según el estado de movimiento del observador.

Sin embargo, a velocidades cercanas a la de la luz, en resultados experimentales se hace claro que esta regla no se puede aplicar por la dilatación temporal. Dos naves que se aproximen una a otra, cada una viajando al 90% de la velocidad de la luz relativas a un tercer observador entre ellas, no se percibirán mutuamente a un 90% + 90%=180% de la velocidad de la luz. En su lugar, cada una percibirá a la otra aproximándose a menos de un 99.5% de la velocidad de la luz. Este resultado se da por la fórmula de adición de la velocidad de Einstein:

${\displaystyle u={\cfrac {v+w}{1+{\cfrac {vw}{c^{2}}}}}}$

donde v y w son las velocidades de las naves observadas por un tercer observador, y u es la velocidad de cualquiera de las dos naves observada por la otra.

Contrariamente a la intuición natural, sin importar la velocidad a la que un observador se mueva relativamente hacia otro observador, ambos medirán la velocidad de un rayo de luz que se avecina con el mismo valor constante, la velocidad de la luz.

La ecuación anterior fue derivada por Einstein de su teoría de relatividad especial, la cual toma el principio de relatividad como premisa principal. Este principio (originalmente propuesto por Galileo Galilei) requiere que actúen leyes físicas de la misma manera en todos los marcos de referencia.

Ya que las ecuaciones de Maxwell otorgan directamente una velocidad de la luz, debería ser lo mismo para cada observador; una consecuencia que sonaba obviamente equivocada para los físicos del siglo XIX, quienes asumían que la velocidad de la luz dada por la teoría de Maxwell es válida en relación al "éter lumínico".

Pero el experimento de Michelson y Morley, puede que el más famoso y útil experimento en la historia de la física, no pudo encontrar este éter, sugiriendo en su lugar que la velocidad de la luz es una constante en todos los marcos de referencia.

Aunque no se sabe si Einstein conocía los resultados de los experimentos de Michelson y Morley, él dio por hecho que la velocidad de la luz era constante, lo entendió como una reafirmación del principio de relatividad de Galileo, y dedujo las consecuencias, ahora conocidas como la teoría de la relatividad especial, que incluyen la anterior fórmula auto-intuitiva.

Velocidad física y velocidad coordenada de la luz

 Velocidad coordenada de la luz

Debe tenerse presente, especialmente si se consideran sistemas de referencia no inerciales, que la observación experimental de constancia de la luz se refiere a la velocidad física de la luz. La diferencia entre ambas magnitudes ocasionó ciertos malentendidos a los teóricos de principios de siglo XX. Así Pauli llegó a escribir:

No se puede hablar ya del carácter universal de la constancia de la velocidad de la luz en el vacío puesto que la velocidad de la luz es constante solo en los sistemas de referencia de Galileo⁵​

Sin embargo, ese comentario es cierto predicado de la velocidad coordenada de la luz (cuya definición no involucra los coeficientes métricos del tensor métrico), sin embargo, una definición adecuada de velocidad física de la luz involucrando las componentes del tensor métrico de sistemas de referencia no inerciales lleva a que la velocidad física sí sea constante.

Velocidad de la luz
Tiempo aproximado del recorrido de la luz entre el Sol y la Tierra: 8 min 20 s
Valores exactos
metros por segundo	299 792 458
Unidades de Planck	1
Valores aproximados
kilómetros por segundo	300 000
millas por segundo	186 000
kilómetros por hora	1 080 000 000
Unidad astronómica por día	173
Duración aproximada del tiempo que tarda la luz en recorrer
Distancia:	Tiempo:
un metro	3,34 ns
un kilómetro	3,34 μs
desde la órbita geoestacionaria a la Tierra	119 ms
la longitud del Ecuador terrestre	134 ms
desde la Luna a la Tierra	1,28 segundos
desde el Sol a la Tierra (1 ua)	8,32 min
un parsec	3,26 años
desde Alfa Centauri a la Tierra	4,37 años
desde la galaxia más cercana a la Tierra	25 000 años
a través de la Vía Láctea	100 000 años
desde la galaxia de Andrómeda a la Tierra	2 600 000 años
desde la Tierra hasta el borde del universo observable	46 500 000 000 años
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