Velocidad de la luz

Vacío. Óptica. Radiación electromagnética. Roemer. Fizeau. Michelson. Interferómetro, éter. Foucault. Electromagnetismo

  • Enviado por: Carlos Relay
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Introducción.

Luz, forma de radiación electromagnética similar al calor radiante, las ondas de radio o los rayos X. La luz corresponde a oscilaciones extremadamente rápidas de un campo electromagnético, en un rango determinado de frecuencias que pueden ser detectadas por el ojo humano. Las diferentes sensaciones de color corresponden a luz que vibra con distintas frecuencias, que van desde aproximadamente 4 × 1014 vibraciones por segundo en la luz roja hasta aproximadamente 7,5 × 1014 vibraciones por segundo en la luz violeta. El espectro de la luz visible suele definirse por su longitud de onda, que es más pequeña en el violeta (unas 40 millonésimas de centímetro) y máxima en el rojo (75 millonésimas de centímetro). Las frecuencias mayores, que corresponden a longitudes de onda más cortas, incluyen la radiación ultravioleta, y las frecuencias aún más elevadas están asociadas con los rayos X. Las frecuencias menores, con longitudes de onda más altas, se denominan rayos infrarrojos, y las frecuencias todavía más bajas son características de las ondas de radio. La mayoría de la luz procede de electrones que vibran a esas frecuencias al ser calentados a una temperatura elevada. Cuanto mayor es la temperatura, mayor es la frecuencia de vibración y más azul es la luz producida.

Naturaleza de la luz

La luz es emitida por sus fuentes en línea recta, y se difunde en una superficie cada vez mayor a medida que avanza; la luz por unidad de área disminuye según el cuadrado de la distancia. Cuando la luz incide sobre un objeto es absorbida o reflejada; la luz reflejada por una superficie rugosa se difunde en todas direcciones. Algunas frecuencias se reflejan más que otras, y esto da a los objetos su color característico. Las superficies blancas difunden por igual todas las longitudes de onda, y las superficies negras absorben casi toda la luz. Por otra parte, para que la reflexión forme imágenes es necesaria una superficie muy pulida, como la de un espejo.

La definición de la naturaleza de la luz siempre ha sido un problema fundamental de la física. El matemático y físico británico Isaac Newton describió la luz como una emisión de partículas, y el astrónomo, matemático y físico holandés Christiaan Huygens desarrolló la teoría de que la luz se desplaza con un movimiento ondulatorio.

En la actualidad se cree que estas dos teorías son complementarias, y el desarrollo de la teoría cuántica ha llevado al reconocimiento de que en algunos experimentos la luz se comporta como una corriente de partículas y en otros como una onda. En las situaciones en que la luz presenta movimiento ondulatorio, la onda vibra perpendicular a la dirección de propagación; por eso, la luz puede polarizarse en dos ondas perpendiculares entre sí.

Velocidad de la luz.

La velocidad de la luz en el vacío es una de las constantes fundamentales de la Naturaleza. Durante dos mil años se creyó que la luz se propagaba con velocidad infinita. Se suponía que cuando sucedía algún fenómeno importante en las estrellas lejanas este fenómeno podía verse instantáneamente en cualquier punto del Universo.

Galileo intentó en una ocasión medir la velocidad de la luz, aunque sin éxito. Galileo se estacionó en lo alto de una colina con una lámpara, mientras un ayudante hacía lo mismo en otra colina. Galileo descubrió la lámpara durante un instante, enviando un destello al ayudante quien, tan pronto como vio ese destello hizo lo propio destapando su lámpara y enviando otro destello a Galileo. Éste anotó el tiempo transcurrido total, repitiendo el experimento una y otra vez con distancias cada vez mayores entre los observadores, llegando finalmente a la conclusión de que era imposible descubrir las lámparas con la suficiente rapidez y que la luz probablemente se propagaba con velocidad infinita. Sabiendo, como ahora sabemos, que la luz viaja a la impresionante velocidad de 300.000 km/s, es fácil comprender las causas del fallo del experimento de Galileo.

Olaf Roemer.

En 1676, el danés Olaf Roemer, a partir de observaciones astronómicas realizadas sobre uno de los satélites del planeta Júpiter, obtuvo la primera prueba terminante de que la luz se propagaba con velocidad infinita. Júpiter tiene doce pequeños satélites o lunas, cualquiera de ellos son suficientemente brillantes para que puedan verse con un telescopio regularmente bueno o unos prismáticos. Los satélites aparecen como minúsculos puntos brillantes a uno y otro lado del disco del planeta. Estos satélites giran alrededor de Júpiter como la Luna alrededor de la Tierra, y cada uno es eclipsado por el planeta durante una parte de cada revolución.

Roemer fue el encargado de medir el período de uno de los satélites, utilizando el intervalo de tiempo transcurrido entre dos eclipses consecutivos (unas 42 h) . Comparando los resultados obtenidos durante un período largo de tiempo, encontró que cuando la Tierra se alejaba de Júpiter, los intervalos de tiempo eran mayores que el valor medio, mientras que cuando se aproximaban a Júpiter, los intervalos eran algo más cortos. De ello dedujo que la causa de estas diferencias era la variación de la distancia entre Júpiter y la Tierra.

Roemer dedujo de sus observaciones que la luz necesitaba un tiempo de unos veintidós minutos para recorrer una distancia igual al diámetro de la órbita terrestre. El mejor valor obtenido para esta distancia, en tiempos de Röemer, era de 1'72·108 millas. Aunque no hay testimonio de que Roemer hiciera realmente el cálculo, si hubiera utilizado los datos anteriores habría encontrado una velocidad de 2'1·108 m/seg.

Louis Fizeau.


El primer método terrestre para medir la velocidad de la luz fue proyectado en 1849 por el físico francés Armand Hippolyte Louis Fizeau, aunque observaciones astronómicas anteriores habían proporcionado una velocidad aproximadamente correcta. En la actualidad, la velocidad de la luz en el vacío se toma como 299.792.458 m/s, y este valor se emplea para medir grandes distancias a partir del tiempo que emplea un pulso de luz o de ondas de radio para alcanzar un objetivo y volver. Este es el principio del radar. El conocimiento preciso de la velocidad y la longitud de onda de la luz también permite una medida precisa de las longitudes. De hecho, el metro se define en la actualidad como la longitud recorrida por la luz en el vacío en un intervalo de tiempo de 1/299.792.458 segundos. La velocidad de la luz en el aire es ligeramente distinta según la longitud de onda, y en promedio es un 3% menor que en el vacío; en el agua es aproximadamente un 25% menor, y en el vidrio ordinario un 33% menor.Su dispositivo experimental fue: la luz de una fuente intensa era reflejada por un espejo semitransparente y luego se llevaba a un foco en un punto por medio de una lente. Después de convertirse en un haz de rayos paralelos por una segunda lente, la luz recorría 8'67 km hasta la cima de una colina, donde un espejo y una lente reflejaban la luz de nuevo en sentido contrario. Regresando por la misma trayectoria, algo de luz pasaba a través del espejo y entraba en el ojo del observador.

El propósito de la rueda dentada giratoria era cortar el haz luminoso en destellos momentáneos, y medir el tiempo empleado por esas señales en llegar hasta el espejo distante y regresar de vuelta. Con la rueda en reposo y en tal posición que la luz pase por la abertura entre los dientes, el observador verá una imagen de la fuente de luz. Si ahora, la rueda se pone a girar con una velocidad que aumenta lentamente, se alcanzará pronto una situación en la cual la luz pasa a través del hueco de la rueda, regresará justo al mismo tiempo para ser detenida por los dientes de la rueda. Bajo estas condiciones, la imagen se eclipsará completamente para el observador. Aumentando más esa velocidad, reaparecerá la luz, incrementando su intensidad hasta alcanzar un máximo. Esto ocurrirá cuando los destellos enviados a través de las aberturas respectiva-mente. Con una rueda de 720 dientes, Fizeau observó este máximo a la velocidad de 25 revoluciones por segundo. El tiempo requerido para que la luz viaje de ida y vuelta se puede calcular como 1/25 veces, 1/720 o 1/18000 de seg. Esto da una velocidad de 313.000 km/seg a partir de la distancia de ida y vuelta de 17'34 km.

Michelson.

Albert Abraham Michelson nació en Strelno (actualmente Strzelno, Polonia); llegó a Estados Unidos siendo un niño y estudió en la Academia Naval de los Estados Unidos y en las universidades de Berlín, Heidelberg y París. Fue profesor de física en la Universidad Clark desde 1889 hasta 1892, y desde 1892 hasta 1929 dirigió el departamento de física de la Universidad de Chicago. Determinó la velocidad de la luz con un alto grado de precisión, con instrumentos creados por él.

En 1887 Michelson inventó el interferómetro, que utilizó en el famoso experimento del éter realizado con el químico estadounidense Edward Williams Morley. En aquella época, la mayoría de los científicos creían que la luz viajaba como ondas a través del éter. También opinaban que la Tierra viajaba por el éter. El experimento Michelson-Morley demostró que dos rayos de luz enviados en diferentes direcciones desde la Tierra se reflejaban a la misma velocidad. De acuerdo con la teoría del éter, los rayos se habrían reflejado a velocidades distintas. De esta forma, el experimento demostró que el éter no existía. Los resultados negativos del experimento también fueron útiles para el desarrollo de la teoría de la relatividad. Entre las obras más importantes de Michelson se encuentran La velocidad de la luz (1902) y Estudios de óptica (1927).

Michelson sobresalió con sus contribuciones y mejoras. Reemplazando la rueda dentada por un pequeño espejo de ocho caras y aumentando la trayectoria de la luz cerca de 70 km, Michelson obtuvo el valor de 299.796 km/seg en 1926.

Un estudio crítico extensivo de los diferentes valores atribuidos por los distintos observadores a la velocidad de la luz en estos últimos cuarenta años ha permitido fijar como valor más probable el de:

c = 299.792.5 km/s

Con fines prácticos se toma para la velocidad de la luz en el vacío o en el aire la cifra de

c = 3.0 x 108 m/s.

León Foucault.

Foucault, Léon (1819-1868), físico francés, nació en París y trabajó con el físico francés Armand Fizeau en la determinación de la velocidad de la luz. Foucault demostró, por su parte, que la velocidad de la luz en el aire es mayor que en el agua. En 1851 hizo una demostración espectacular de la rotación de la Tierra suspendiendo un péndulo con un cable largo desde la cúpula del Panteón en París: el movimiento del péndulo reveló la rotación de la Tierra sobre su eje. Foucault fue uno de los primeros en mostrar la existencia de corrientes (corrientes de Foucault) generados por los campos magnéticos, y el creador de un método para medir la curvatura de los espejos telescópicos. Entre los dispositivos que inventó están un prisma polarizador y el giroscopio en el que se basa el compás giroscópico moderno.

Foucault modificó el aparato de Fizeau, reemplazó la rueda dentada por un espejo giratorio. Introduciendo entre la rueda y el espejo un tubo lleno de agua, comprobó que la velocidad de la luz en el agua es menor que en el aire, pero la teoría corpuscular, creída insostenible en aquellos tiempos, exige que sea mayor.

En 1850, Foucault completó y publicó los resultados de un experimento en el que había medido la velocidad de la luz en el agua. Fue un experimento crucial para la larga controversia que existía sobre la naturaleza de la luz. De acuerdo con Newton y sus discípulos, la luz estaba formada por pequeñas partículas que emanan de una fuente. por otra parte, Huygens, suponía que la luz compuesta por ondas, similares en naturaleza quizás a las ondas del agua o a las ondas sonoras. Ahora bien, la teoría corpuscular de Newton requería que la luz se propague más deprisa en un medio denso como el agua que en un medio de menor densidad como el aire, mientras que la teoría ondulatoria de Huygens, exigía que se propague más despacio. Enviando la luz a un lado y a otro en un tubo largo lleno de agua, Foucault halló que su velocidad era menor que en el aire, lo cual constituye una confirmación brillante de la teoría ondulatoria de Huygens.

Años después, Michelson también midió la velocidad de la luz en el agua y encontró un valor de 225.000 km/seg. Esta es justo 3/4 partes la velocidad en el vacío. En el vidrio común, la velocidad es aún menor, siendo alrededor de 2/3 de la velocidad en el vacío, osea, 200.000 km/seg. La velocidad en el aire es muy poco más pequeña que la velocidad en el vacío, difiriendo únicamente en 70 km/seg, al nivel del mar, y menos a altitudes elevadas, donde el aire tiene menor densidad. Para la mayoría de los casos, se puede despreciar esta diferencia, y decir que la velocidad en el aire es la misma que en el vacío.

Anexos.

Velocidad de la luz

La luz está formada por campos eléctricos y magnéticos que oscilan perpendicularmente entre sí.

La distancia entre las crestas adyacentes de la onda se denomina longitud de onda.

La luz visible corresponde solo a una pequeña parte del espectro electromagnético que incluye muchos tipos de ondas. Los rayos gamma tienen una longitud de onda muy pequeña y una frecuencia elevada; las ondas de radio tienen su longitud de onda muy largas y una frecuencia menor que la de los rayos gamma.

Cada color de la luz visible corresponde a una frecuencia particular del espectro, así el color violeta tiene la menor longitud de onda que el ojo humano puede detectar y el rojo tiene la mayor.

A veces, la luz se comporta más como partícula que como onda, sobretodo si interacciona con átomos. Los átomos absorben cantidades de luz específicas denominadas cuantos de energía. Como la interacción necesita una cantidad de energía discreta, deducimos que la luz se comporta como una partícula denominada fotón.

Midiendo las frecuencias de los fotones, los científicos pueden averiguar qué tipo de átomos los emitieron: si fueron de la Tierra, del Sol o de alguna galaxia lejana.

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