Los primeros cálculos observando los cielos
Antes del siglo XVII, generalmente se pensaba
que la luz se transmitía instantáneamente. Esto fue respaldado por la
observación de que no hay un retraso notable en la posición de la sombra de la
Tierra sobre la Luna durante un eclipse lunar, lo que de otro modo se esperaría
si c fuera finito. Hoy en día,
sabemos que la luz se mueve demasiado rápido para que se note el retraso.
Galileo dudaba de que la velocidad de la luz fuera infinita e ideó un
experimento para medir esa velocidad cubriendo y destapando manualmente
linternas que estaban separadas por unas pocas millas. No sabemos si alguna vez
intentó el experimento, pero nuevamente c
es demasiado alto para que ese método dé una respuesta remotamente precisa.
La primera medición exitosa de c fue realizada por Olaus Roemer en
1676. Se dio cuenta de que, dependiendo de la geometría Tierra-Sol-Júpiter,
podría haber una diferencia de hasta 1000 segundos entre los tiempos previstos
de los eclipses de las lunas de Júpiter, y las horas reales en que se
observaron estos eclipses. Supuso correctamente que esto se debe al tiempo
variable que tarda la luz en viajar desde Júpiter a la Tierra a medida que varía
la distancia entre estos dos planetas. Obtuvo un valor de c equivalente a 214.000 km/s, que era muy aproximado porque en ese
momento no se conocían con precisión las distancias planetarias.
En 1728, James Bradley hizo otra estimación al
observar la aberración estelar, que es el desplazamiento aparente de las
estrellas debido al movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Observó una
estrella en Draco y descubrió que su posición aparente cambiaba a lo largo del
año. Todas las posiciones estelares se ven afectadas por igual de esta manera.
(Esto distingue la aberración estelar de la paralaje, que es mayor para las
estrellas cercanas que para las estrellas distantes). Para comprender la
aberración, una analogía útil es imaginar el efecto de su movimiento en el
ángulo en el que la lluvia cae a su lado, mientras corre. Si te quedas quieto
bajo la lluvia cuando no hay viento, cae verticalmente sobre tu cabeza. Si
corres bajo la lluvia, viene hacia ti en ángulo y te golpea en el frente.
Bradley midió este ángulo para la luz de las estrellas y, conociendo la
velocidad de la Tierra alrededor del Sol, encontró un valor para la velocidad
de la luz de 301.000 km/s.
Los métodos experimentados en la Tierra
La primera medida de c que no hizo uso de los cielos fue realizada por Armand Fizeau en
1849. Usó un haz de luz reflejado en un espejo a 8 km de distancia. El rayo
estaba dirigido a los dientes de una rueda que giraba rápidamente. La velocidad
de la rueda se incrementó hasta que su movimiento fue tal que el paso de dos
vías de la luz coincidió con un movimiento de la circunferencia de la rueda en
un diente. Esto dio un valor para c
de 315 000 km/s. Leon Foucault mejoró este resultado un año después usando
espejos giratorios, que dieron un valor mucho más preciso de 298.000 km/s. Su
técnica fue lo suficientemente buena para confirmar que la luz viaja más
lentamente en el agua que en el aire.
Después de que Maxwell publicara su teoría del
electromagnetismo, se hizo posible calcular la velocidad de la luz
indirectamente midiendo la permeabilidad magnética y la permitividad eléctrica
del espacio libre. Esto fue hecho por primera vez por Weber y Kohlrausch en
1857. En 1907 Rosa y Dorsey obtuvieron 299.788 km/s de esta forma. Era el valor
más exacto en ese momento.
Posteriormente se emplearon muchos otros métodos
para mejorar aún más la precisión de la medición de c, por lo que pronto se hizo necesario corregir el índice de
refracción del aire, ya que c es la
velocidad de la luz en el vacío. En 1958 Froome obtuvo un valor de 299.792,5
km/s utilizando un interferómetro de microondas y un obturador de celda de
Kerr. Después de 1970, el desarrollo de láseres con una estabilidad espectral
muy alta y relojes de cesio precisos hicieron posibles mediciones aún mejores.
Hasta entonces, la definición cambiante del metro siempre se había mantenido
por delante de la precisión en las mediciones de la velocidad de la luz. Pero
en 1970 se había llegado al punto en que se conocía la velocidad de la luz con
un error de más o menos 1 m/s. Se volvió más práctico fijar el valor de c en la definición del metro y usar
relojes atómicos y láseres para medir distancias precisas. Hoy en día, se
define que la velocidad de la luz en el vacío tiene un valor fijo exacto cuando
se expresa en unidades estándar. Desde 1983 el metro se define por acuerdo
internacional como la distancia recorrida por la luz en el vacío durante un
intervalo de tiempo de 1/299.792.458 de segundo. Esto hace que la velocidad de
la luz sea exactamente 299.792,458 km/s. (Además, debido a que la pulgada ahora
se define como 2,54 centímetros, la velocidad de la luz también tiene un valor
exacto en unidades imperiales). Esta definición solo tiene sentido porque todos
los observadores miden que la velocidad de la luz en el vacío tiene el mismo
valor; un hecho que está sujeto a verificación experimental (consulte el
artículo de preguntas frecuentes sobre relatividad ¿Es constante la velocidad
de la luz?). Todavía se necesitan experimentos para medir la velocidad de la
luz en medios como el aire y el agua.
Esta tabla ofrece algunas de las mejores
medidas según Froome y Essen:
Date Author Method Result (km/s) Error 1676 Olaus
Roemer Los
satélites de Júpiter 214,000 1726 James
Bradley Aberración
estelar 301,000 1849 Armand
Fizeau Rueda
dentada 315,000 1862 Leon
Foucault Rueda
dentada 298,000 +-500 1879 Albert
Michelson Espejo
giratorio 299,910 +-50 1907 Rosa,
Dorsay Constantes
electromagnéticas 299,788 +-30 1926 Albert
Michelson Espejo
giratorio 299,796 +-4 1947 Essen,
Gorden-Smith Resonador
de cavidad 299,792 +-3 1958 K. D.
Froome Interferómetro
de radio 299,792.5 +-0.1 1972 Evenson et
al. Láseres 299,792.4574 +-0.001 1983 Valor
adoptado 299,792.458
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