Pregúntele a Ethan: ¿Por qué la velocidad de la luz es lo que es?

Independientemente del color, la longitud de onda o la energía, la velocidad a la que viaja la luz en el vacío permanece constante. No depende de la ubicación o direcciones en el espacio y el tiempo.

Nada en el Universo es capaz de moverse más rápido que la luz en el vacío. 299 792 458 metros por segundo. Si es una partícula masiva, solo puede acercarse a esta velocidad, pero no alcanzarla; Si es una partícula sin masa, siempre debe moverse con esta velocidad, si está sucediendo en un espacio vacío. Pero, ¿cómo sabemos esto y por qué? Esta semana, nuestro lector nos hace tres preguntas relacionadas con la velocidad de la luz:

¿Por qué la velocidad de la luz es finita? ¿Por qué es ella tal como es? ¿Por qué no más rápido y más lento?

Hasta el siglo XIX, ni siquiera teníamos confirmación de estos datos.


Ilustración de la luz que pasa a través de un prisma y se divide en colores claros.

Si la luz pasa a través del agua, un prisma o cualquier otro medio, se divide en diferentes colores. El color rojo no se refracta en el ángulo en que lo hace azul, por lo que surge algo así como un arco iris. Esto se puede observar fuera del espectro visible; La luz infrarroja y ultravioleta se comportan igual. Esto sería posible solo si la velocidad de la luz en el medio es diferente para la luz de diferentes longitudes de onda / energías. Pero en el vacío, fuera de cualquier medio, toda la luz se mueve con la misma velocidad finita.


La separación de la luz en colores se produce debido a las diferentes velocidades de la luz, dependiendo de la longitud de onda, a través del medio.

Solo se les ocurrió esto a mediados del siglo XIX, cuando el físico James Clerk Maxwell mostró lo que realmente es la luz: una onda electromagnética. Maxwell primero puso los fenómenos independientes de la electrostática (cargas estáticas), la electrodinámica (cargas y corrientes en movimiento), la magnetostática (campos magnéticos constantes) y la magnetodinámica (corrientes inducidas y campos magnéticos alternos) en una única plataforma unificada. Las ecuaciones que lo rigen, las ecuaciones de Maxwell, nos permiten calcular la respuesta a una pregunta aparentemente simple: ¿qué tipos de campos eléctricos y magnéticos pueden existir en el espacio vacío fuera de las fuentes eléctricas o magnéticas? Sin cargas y sin corrientes, sería posible decidir que ninguna, pero las ecuaciones de Maxwell sorprendentemente demuestran lo contrario.


Placa de ecuación de Maxwell en la parte posterior de su monumento

Nada es una solución posible; pero también es posible otra cosa: campos eléctricos y magnéticos mutuamente perpendiculares que oscilan en una fase. Tienen ciertas amplitudes. Su energía está determinada por la frecuencia de las oscilaciones de campo. Se mueven a una velocidad determinada, determinada por dos constantes: ε ₀ y μ ₀ . Estas constantes determinan la magnitud de las interacciones eléctricas y magnéticas en nuestro universo. La ecuación resultante describe una onda. Y, como cualquier ola, tiene una velocidad, 1 / √ε ₀ µ ₀ , que resulta ser igual a c, la velocidad de la luz en el vacío.


Los campos eléctricos y magnéticos mutuamente perpendiculares que oscilan en una fase, que se propagan a la velocidad de la luz, determinan la radiación electromagnética.

Desde un punto de vista teórico, la luz es radiación electromagnética sin masa. De acuerdo con las leyes del electromagnetismo, debe moverse a una velocidad de 1 / √ ε ₀ µ ₀ , igual a c, independientemente de sus otras propiedades (energía, momento, longitud de onda). ε ₀ puede medirse haciendo y midiendo el condensador; µ _{0 se} determina con precisión a partir de amperios, unidades de corriente eléctrica, lo que nos da c. La misma constante fundamental, deducida por primera vez por Maxwell en 1865, ha aparecido desde entonces en muchos otros lugares:

• Esta es la velocidad de cualquier partícula u onda sin masa, incluida la gravitacional.
• Esta es una constante fundamental que correlaciona tu movimiento en el espacio con tu movimiento en el tiempo en la teoría de la relatividad.
• Y esta es una constante constante que vincula la energía a la masa en reposo, E = mc ²


Las observaciones de Römer nos proporcionaron las primeras mediciones de la velocidad de la luz obtenida utilizando la geometría y midiendo el tiempo que tarda la luz en recorrer una distancia igual al diámetro de la órbita de la Tierra.

Las primeras mediciones de esta cantidad se realizaron durante las observaciones astronómicas. Cuando las lunas de Júpiter entran y salen a la posición del eclipse, aparecen visibles o invisibles desde la Tierra en una secuencia determinada, dependiendo de la velocidad de la luz . Esto condujo a la primera medición cuantitativa de s en el siglo XVII, que se determinó a 2.2 × 10 ⁸ m / s. La desviación de la luz estelar, debido al movimiento de la estrella y la Tierra en la que está montado el telescopio, también se puede estimar numéricamente. En 1729, este método de medición mostró un valor que difiere del moderno en solo 1.4%. En la década de 1970, se descubrió que los s eran 299 792 458 m / s con un error de solo 0.0000002%, la mayoría de los cuales provenían de la incapacidad para determinar con precisión el medidor o el segundo. En 1983, el segundo y el medidor se redefinieron mediante c y las propiedades universales de la radiación atómica. Ahora la velocidad de la luz es exactamente 299 792 458 m / s.


La transición atómica desde el orbital 6S, δf ₁ , determina el metro, el segundo y la velocidad de la luz.

Entonces, ¿por qué la velocidad de la luz no es ni más ni menos? La explicación es tan simple como la que se muestra en la fig. Átomo superior Las transiciones atómicas ocurren a medida que ocurren, debido a las propiedades cuánticas fundamentales de los componentes básicos de la naturaleza. Las interacciones del núcleo atómico con los campos eléctricos y magnéticos creados por los electrones y otras partes del átomo conducen al hecho de que los diferentes niveles de energía son extremadamente cercanos entre sí, pero aún ligeramente diferentes: esto se llama división hiperfina . En particular, la frecuencia de transición de la estructura hiperfina del cesio-133 emite luz de una frecuencia muy específica. El tiempo necesario para 9.192.631.770 de dichos ciclos es el segundo; la distancia que recorre la luz durante este tiempo es 299 792 458 metros; la velocidad con la que se propaga esta luz determina s.


Un fotón púrpura lleva un millón de veces más energía que el amarillo. El telescopio gamma espacial Fermi no muestra ningún retraso de ninguno de los fotones que nos llegó del estallido de rayos gamma, lo que confirma la constancia de la velocidad de la luz para todas las energías.

Para cambiar esta definición, es necesario que ocurra algo fundamentalmente diferente de su naturaleza actual con esta transición atómica o con la luz que proviene de ella. Este ejemplo también nos da una valiosa lección: si la física atómica y las transiciones atómicas funcionaron de manera diferente en el pasado o a largas distancias, esto sería evidencia de un cambio en la velocidad de la luz con el tiempo. Hasta ahora, todas nuestras mediciones solo imponen restricciones adicionales sobre la constancia de la velocidad de la luz, y estas restricciones son muy estrictas: el cambio no supera el 7% del valor actual en los últimos 13.700 millones de años. Si, para algunas de estas métricas, la velocidad de la luz no fuera constante, o si fuera diferente para diferentes tipos de luz, esto conduciría a la mayor revolución científica desde Einstein. En cambio, toda la evidencia habla a favor del Universo, en el que todas las leyes de la física siempre, en todas partes, en todas las direcciones, en todo momento permanecen igual, incluida la física de la luz misma. En cierto sentido, esta también es información bastante revolucionaria.

Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].