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domingo, octubre 17, 2021

La velocidad de la luz, una invariante universal

Por: Oracio Barbosa

A cualquier hora del día, por la mañana, por la tarde o por la noche cualquier onda electromagnética en el rango visible nos permite lograr información de nuestro alrededor mediante nuestros ojos. Ya sea una onda electromagnética en el rojo, amarillo, verde, azul, violeta o una mezcla de ellas como luz blanca podemos apreciar, entre otras cosas, la belleza de la naturaleza.

En la segunda mitad del siglo XIX el científico escocés James C. Maxwell estudió los fenómenos asociados con la electricidad y magnetismo y estableció lo que hoy se denominan la teoría clásica de la radiación electromagnética; esta teoría está sustentada por cuatro ecuaciones matemáticas que señalan las propiedades temporales y espaciales de las ondas electromagnéticas. Estas ecuaciones son bien conocidas como las ecuaciones de Maxwell. Fue este científico quien estableció que la luz es una onda electromagnética, caracterizada por una longitud de onda, una frecuencia y una velocidad de propagación.

La figura 1 muestra el espectro de las ondas electromagnéticas con la región visible (con longitudes de onda entre 400-700 nanómetros) que ocupa una pequeña región de ese espectro; en esa figura identificamos también, por ejemplo, a las ondas de radio y a los rayos X. Cualquier onda electromagnética de las mostradas en la figura 1 viaja con una rapidez de c = 299 792 458 metros por segundo (m/s) o bien, para fines prácticos de 300 000 Km/s); este valor de c es en el vacío. El valor c para cualquier onda electromagnética se puede obtener al multiplicar la longitud de onda por su correspondiente frecuencia. Con esta velocidad, la luz, o cualquier onda electromagnética, puede dar aproximadamente 7.5 vueltas alrededor de nuestro planeta.

Los filósofos griegos en la antigüedad fueron los primeros en hablar sobre la rapidez con que se propaga la luz. La mayoría de las opiniones señalaron que la luz se propagaba de forma instantánea, aunque muy pocos señalaron que esa velocidad era muy grande pero finita. Galileo Galilei a mediados del siglo XVII fue uno de los primeros en tratar de medir la velocidad de la luz sin tener éxito. En ese mismo periodo de tiempo, el astrónomo danés Römer estudió el movimiento de una de las lunas del planeta Júpiter y mediante la observación de sus eclipses pudo determinar una velocidad de alrededor de 200 000 Km/s. Posteriormente se realizaron otros intentos, pero fue hasta fines del siglo XIX en que el físico nacido en Polonia A. Michelson realizó una medición con mayor precisión, 299 910 Km/s. Fue el propio Michelson quien más tarde mejoró su medición y recibió el premio Nobel de la física en el año de 1907.

El impacto del trabajo de Michelson no fue el hecho de haber logrado un mejor valor para la velocidad de la luz, sino que demostró que las ondas electromagnéticas no requieren de un medio para propagarse. Los científicos del siglo XIX consideraban que las ondas electromagnéticas requerían de un medio para propagarse como lo hace cualquier perturbación, ya fuese un movimiento ondulatorio en el agua o una onda sonora (en el espacio extraterrestre -el vacío- el sonido no se propaga: no hay sonido alguno porque no existe un medio material). La gran mayoría de los científicos en ese siglo consideraban al éter como el medio material requerido para que las ondas electromagnéticas se propagaran: Michelson en realidad demostró la NO-EXISTENCIA del éter.

Cuando la luz viaja en un medio que no sea el vacío su velocidad cambia; si lo hace en el agua o a través de otro medio transparente disminuye su valor. El cociente de la velocidad de la luz, c, y la velocidad de la luz en el medio, v, define el índice de refracción del material: n = c/v. Por ejemplo, el índice de refracción del vidrio es de 1.5 por lo que la luz viaja a una velocidad aproximada de 200 000 Km/s; en el aire la luz viaja aproximadamente 90 Km/s menos que el valor de la velocidad en vacío; para el aire el índice de refracción es 1.0003.

Cuando hablamos a través de un teléfono fijo y no celular, la información se trasmite a través de cables de cobre o bien de fibra óptica; en ambos casos las ondas electromagnéticas viajaran a velocidades menores que c. El tener un valor muy preciso de la velocidad de la luz es necesario porque es a partir de ella que se define actualmente la unidad métrica de longitud, el metro: es la distancia recorrida en 1/c en un segundo. Con ello se asegura que esa unidad de longitud tiene significado propio y no puede tener malinterpretaciones o confusiones a nivel global o intergaláctico como señalan los astrónomos.

Albert Einstein en el año 1905 escribió uno de sus trabajos que revolucionaron la física; nos referimos a la teoría especial de la relatividad. En ella establece con claridad que la luz o cualquier onda electromagnética en el vacío viaja a la misma velocidad constante, c = 299 792 458 Km/s, sin importar el valor de la velocidad con que se mueve el observador. En otras palabras, la velocidad de la luz es una constante universal y ningún objeto puede moverse a una velocidad mayor a c. Einstein reportó que el valor numérico de la velocidad de la luz no varía con el tiempo ni con el lugar. Esto nos asegura la certeza de la definición de la unidad de longitud del metro. Sin embargo, como veremos en la próxima entrega, el estudio del movimiento de los cuerpos a velocidades cercanas a la de la luz nos conlleva a fenómenos como la contracción en longitud y la dilatación del tiempo.

Figura 1. Espectro electromagnético mostrando solamente las longitudes de onda. La frecuencia de cualquier onda puede obtenerse dividiendo el valor de c entre la longitud de onda, f = c/long onda. El comportamiento espacial y temporal de estas ondas esta dado por las 4 ecuaciones de Maxwell; la luz ocupa solamente una pequeña fracción del espectro electromagnético.

Columna del CIO
El Centro de Investigaciones en Óptica (CIO) es uno de los Centros públicos de investigación pertenecientes al Conacyt. Se especializa en óptica y fotónica (estudio de la luz y su interacción con la materia) www.cio.mx

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