Velocidad de la luz

Según la relatividad, la velocidad de la luz en el vacío, c 0 {\displaystyle c_{0}} , es una constante física universal independiente del sistema de referencia utilizado y la velocidad máxima a la que cualquier información puede viajar en el universo, combinando las cantidades físicas clásicas de espacio y tiempo en la entidad única del espacio-tiempo y representando la magnitud de conversión en la ecuación de equivalencia masa-energía En física, la velocidad de la luz es la velocidad de propagación de una onda electromagnética y una partícula libre sin masa. En el vacío tiene un valor de 299 792 458 m / s. normalmente se indica con la letra C (del latín celeritas), elegida por primera vez por Paul Drude en 1894. En general, la relatividad es la velocidad prevista para las ondas gravitacionales. Desde el 21 de octubre de 1983, el valor c 0 {\displaystyle c_{0}} como exacto, es decir, sin error, y de él se determina la longitud del metro en el sistema internacional.

Galileo Galilei fue el PRIMERO en sospechar que la luz no se propagaba instantáneamente e intentar medir su velocidad. Escribió sobre su intento fallido de usar linternas para enviar destellos de luz entre dos colinas fuera de Florencia. Giovanni Alfonso Borelli (1608-1679), un seguidor de Galilei, hizo el intento de medir la velocidad de la luz en la distancia Florencia-Pistoia por medio de espejos reflectantes. La primera medición de la velocidad de la luz fue realizada en 1676 por el danés Ole Rømer, quien utilizó una anomalía en la duración de los eclipses de los satélites Mediceos (los satélites de Júpiter descubiertos por Galileo). Registró los eclipses de Io, un satélite de Júpiter: cada día o dos, Io entró en la sombra de Júpiter y luego resurgió de ella. Rømer podía verme "apagar" y "encender" , si Júpiter era visible. La órbita de Io parecía ser una especie de reloj distante, pero Rømer descubrió que su "tic-tac" era más rápido cuando la Tierra se acercaba a Júpiter y más lento cuando se alejaba. Rømer midió las variaciones en relación con la distancia entre la Tierra y Júpiter y las explicó estableciendo una velocidad finita para la luz. Obtuvo un valor de alrededor de 210 800 000 m / s, cuya desviación del valor establecido más tarde se debió principalmente a la poca precisión con la que había medido el tiempo requerido por la luz para viajar el diámetro de la órbita de la Tierra. Una placa en el Observatorio de París, donde trabajó el astrónomo danés, conmemora lo que fue, de hecho, la primera medición de una cantidad universal. Rømer publicó sus resultados, que contenían un error del 10 al 25%, en el Journal des savants. Otras medidas, poco a poco más precisas, fueron llevadas a cabo por James Bradley, Hippolyte Fizeau y otros, hasta alcanzar el valor aceptado hoy. En particular, Fizeau midió la velocidad de la luz por medio de un aparato consistente en un piñón girado a gran velocidad. Se proyectaba un haz de luz sobre la rueda que pasaba a través de las grietas intermitentemente, llegando a un espejo a gran distancia que reflejaba la luz de vuelta hacia la rueda. El radio de retorno, ya que mientras tanto se giraba la rueda, pasaba por la siguiente grieta. A partir de esto, observando la distancia que recorría la luz, y observando el intervalo de tiempo en el que la rueda realizaba la rotación necesaria, Fizeau calculó la velocidad de la luz con un pequeño error. Cuando el modelo de luz como flujo de partículas, propuesto por Descartes y apoyado por Isaac Newton, fue rechazado, el modelo de onda, su sucesor, planteó el problema de la existencia de un medio que soportara oscilaciones. Este hipotético medio, llamado éter, tenía que tener características muy peculiares: elástico, carente de masa y resistencia al movimiento de los cuerpos, tenía que arrastrar la luz como una corriente arrastra un barco o el viento las ondas sonoras. Un viento del éter tuvo que arrastrar la luz. Si, debido al viento del éter, La velocidad de propagación de la luz en los dos brazos del interferómetro hubiera sido diferente, los dos haces de luz habrían empleado un tiempo diferente para volver a encontrarse entre sí, y luego las oscilaciones en los dos haces se introducirían en una diferencia de fase δ, como en las funciones más simples: esto causó la formación de franjas de interferencia para pasar dentro de un espacio de aproximadamente medio milímetro entre dos tarjetas colocadas frente a una fuente de luz no lejos del ojo Para verificar la presencia de éter por el efecto de arrastre, Albert Abraham Michelson y Edward Morley repitieron un experimento con un interferómetro varias veces. Las franjas tendrían que moverse a medida que cambiara la orientación del instrumento con respecto al viento del éter. La diferencia esperada en el tiempo que toma la luz para viajar los brazos del interferómetro paralelos y perpendiculares al viento del éter se calcula fácilmente. En las muchas experiencias de Michelson, Morley y otros, el desplazamiento de tales márgenes nunca se observó, independientemente de la forma en que el interferómetro estaba orientado y la posición de la Tierra a lo largo de su órbita. La explicación para tal resultado según Einstein fue que no hay éter y que la independencia de la velocidad de la luz de su dirección de propagación es una consecuencia obvia de la isotropía del espacio. El éter entonces se volvió simplemente innecesario.

A partir de la tercera ecuación de Maxwell, aplicando el operador del rotor, obtenemos: recuerde que: pero, ya que consideramos una situación ideal o la presencia del vacío, tenemos que ∇ → ⋅ Y → = 0 {\displaystyle {\vec {\nabla }} \ cdot {\vec {E}}=0} como no hay cargos y que J → = 0 {\displaystyle {\vec {J}} = 0} como hay ausencia de corriente Es posible derivar la velocidad de la luz en el vacío (ya que es una onda electromagnética), a partir de las ecuaciones de Maxwell. En este caso la velocidad de la luz está vinculada a las propiedades electromagnéticas del medio en el que se propaga: precisamente a la permitividad eléctrica ε {\displaystyle \varepsilon } y permeabilidad magnética μ {\displaystyle \ mu } : por lo general se refiere al vacío: c = c 0 c r {\displaystyle C = C_{0} c_{r}} , ε = ε 0 ε r {\displaystyle \varepsilon =\varepsilon _ {0}\varepsilon _ {r}} y μ = μ 0 μ r {\displaystyle \ mu = \ mu _ {0} \ mu _{r}} , en la que la relación se convierte en particular: donde c 0 {\displaystyle c_{0}} es la velocidad de la luz en el vacío, ε 0 {\displaystyle \varepsilon _ {0}} es la permitividad eléctrica del vacío y μ 0 {\displaystyle \ mu _ {0}} permeabilidad magnética del vacío De las dos ecuaciones, teniendo en cuenta esta última consideración, y considerando que el operador de gradiente se lleva a cabo con respecto a las coordenadas espaciales, obtenemos: en este punto, utilizando la cuarta ecuación de Maxwell, obtenemos la primera de las dos ecuaciones de las ondas electromagnéticas: esta ecuación se asemeja a la ecuación de onda, d''Alembert, cuya expresión general es, donde v es la velocidad de la onda. Al pasar a través de los materiales, la luz sufre eventos de dispersión óptica y, en muchos casos de interés, se propaga con una velocidad inferior a c 0 {\displaystyle c_{0}} un factor llamado índice de refracción del material. La velocidad de la luz en el aire es solo ligeramente menor que c 0 {\displaystyle c_{0}} . Materiales más densos como el agua y el vidrio ralentizan la luz en fracciones de 3/4 y 2/3 de c 0 {\displaystyle c_{0}} . Luego hay materiales particulares, llamados metamateriales, que tienen un índice de refracción negativo. La luz parece disminuir debido al efecto de impacto inelástico : es absorbida por un átomo del material a través del cual excita y devuelve la luz tarde y en la dirección desviada. En 1999, un grupo de científicos dirigidos por Lene Hau fue capaz de reducir la velocidad de un haz de luz hasta aproximadamente 61 km/h. en 2001, fueron capaces de detener momentáneamente un haz. Ver: condensado de Bose-Einstein para más información. En enero de 2003, Mikhail Lukin, junto con científicos de la Universidad de Harvard y el Instituto de Lebedev, Moscú, lograron detener completamente la luz en un gas de átomos de rubidio a una temperatura de aproximadamente 80°C: los átomos, para usar las palabras de Lukin, "se comportaron como pequeños espejos" (Dumé, 2003), debido a los patrones de interferencia de dos haces de "control" . (Dumé, 2003) en julio de 2003, en la Universidad de Rochester, Matthew Bigelow, Nick Lepeshkin y Robert Boyd ralentizaron y aceleraron la luz a temperatura ambiente en un cristal de Alejandrita, explotando los cambios en el índice de refracción debido a la interferencia cuántica. Se envían dos rayos láser sobre el cristal, bajo ciertas condiciones, uno de los dos sufre una absorción reducida en un cierto rango de longitudes de onda, mientras que el índice de refracción aumenta en el mismo rango, o "el espectro de Agujeros" : la velocidad del grupo se reduce mucho. Usando diferentes longitudes de onda en su lugar, fue posible producir un "antibuco espectral" , en el que la absorción es mayor, y por lo tanto a la propagación superluminal. Se observaron velocidades de 91m/s para un láser con una longitud de onda de 488 nanómetros, y de-800m / s para longitudes de onda de 476 nanómetros. La velocidad negativa indica una propagación superluminal, porque los pulsos parecen salir del cristal antes de que hayan entrado en él. En septiembre de 2003, Shanhui Fan y Mehmet Fatih Yanik de la Universidad de Stanford propusieron un método para bloquear la luz dentro de un dispositivo de estado sólido, en el que los fotones rebotan entre los pilares semiconductores creando una especie de onda estacionaria. Los resultados se publicaron en Cartas de revisión física de febrero de 2004.

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