4.1 Galileo Galilei
Los primeros intentos de medir la velocidad de la luz se hicieron en el siglo XVII. Durante este tiempo, nadie sabía si la luz estaba compuesta de ondas, como pensaba Christiaan Huygens, o partículas, como creía Isaac Newton, y nadie sabía si la velocidad de la luz era infinita.
En 1638, el filósofo natural italiano Galileo Galilei intentó determinar la velocidad de la luz midiendo el tiempo que tarda en viajar entre dos observadores, utilizando la ecuación
Aquí, v es la velocidad, d es la distancia, Δ debe leerse como ‘cambio en’, y t es hora. La velocidad es una calidad vectorial (discutida en el Libro I), lo que significa que contiene dos piezas de información: un valor y una dirección. El valor, en este caso, es el valor de la velocidad. Suponiendo que la dirección es positiva y c es la velocidad de la luz,
En el experimento de Galileo, el primer observador mostró su linterna en el segundo, y respondieron mostrando su propia linterna. Galileo sugirió que los observadores deberían estar a unas tres millas de distancia, dando una distancia total de seis millas. Afirmó haber probado el experimento a menos de una milla, pero no pudo determinar si la velocidad de la luz es infinita o no. [1] Este experimento fue repetido posteriormente por la Academia del Experimento, fundada en Florencia 15 años después de la muerte de Galileo. Sin embargo, sus resultados no fueron igualmente concluyentes. [2]
4.2 Ole Rømer
El astrónomo danés Ole Rømer pudo demostrar que la luz viaja a una velocidad finita en 1676. Lo hizo utilizando otro de los descubrimientos de Galileo: las lunas de Júpiter. [3,4]
La luna de Júpiter, Io, orbita a Júpiter una vez cada 42,5 horas, y durante gran parte de este tiempo, está envuelta por la sombra de Júpiter. Rømer mantuvo un registro de cuánto tiempo duraron estos eclipses y descubrió que varían a lo largo de un año, a medida que la Tierra se mueve alrededor del Sol.
Rømer sabía que Io parece permanecer cubierto durante unos 22 minutos más cuando Júpiter está más lejos de la Tierra que cuando está más cerca. Se dio cuenta de que esto se debe a que la luz de Júpiter tiene que viajar una distancia extra. Rømer pudo estimar la velocidad que la luz debe viajar para cubrir la distancia adicional en este tiempo.
Aristarco de Samos había intentado medir la distancia entre la Tierra y el Sol en aproximadamente 300 aC, [5] y los franceses primero lo calcularon con precisión el astrónomo Jean Richer y el astrónomo italiano Giovanni Domenico Cassini en 1672 (discutido en el Libro I). Llegaron a la conclusión de que el Sol está a unos 140 millones de kilómetros de la Tierra, subestimando la distancia en menos de 10 millones de kilómetros. [6]
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Figura 4.1 |
Diagrama de Rømer de Júpiter ( B ) eclipsando a Io ( D y C ) visto desde diferentes puntos en la órbita de la Tierra alrededor del Sol ( A ). |
Rømer descubrió que Io está envuelto durante unos 22 minutos más cuando Júpiter está más lejos, por lo que estimó que la luz tarda unos 11 minutos en viajar entre el Sol y la Tierra. Esto lo llevó a calcular que la luz viaja a unos 200,000 km / s (esto es 760 millones de km / h, o 470 millones de mph). [4]
Más tarde se demostró que Rømer había subestimado la velocidad de la luz. Esto se debió en parte a su sobreestimación en el tiempo que tarda la luz del Sol en llegar a la Tierra, que ahora se sabe que dura unos 8 minutos.
4,3 James Bradley
El astrónomo inglés James Bradley midió la velocidad de la luz en poco más de 300,000 km / s en 1728. Bradley fue el primero en medir cómo las estrellas parecen cambiar de posición a medida que cambia el ángulo de la Tierra durante su órbita alrededor del Sol. . Esto se conoce como aberración estelar (discutido en el Libro I). La distancia que las estrellas parecen moverse es proporcional a la velocidad que se mueve la Tierra dividida por la velocidad de la luz.
Bradley sabía que la Tierra tarda alrededor de 365 días en completar una órbita, por lo que podría usar la medida de Richer y Cassini para determinar la distancia que la Tierra debe viajar en ese tiempo. [7,8]
4.4 Hippolyte Fizeau y Léon Foucault
En 1850, los filósofos naturales franceses Hippolyte Fizeau [9] y Léon Foucault [10] [19459014 ] demostró que la teoría de la luz de partículas de Newton estaba equivocada cuando mostraron que la luz viaja más rápido en el aire que en el agua.
Hicieron esto dividiendo un haz de luz en dos y luego pasando la mitad a través del agua y la otra mitad a través del aire. Para medir la velocidad de cada haz, los reflejaron desde un espejo giratorio hacia un espejo estacionario a muchas millas de distancia.
Cuando la luz se reflejó, el espejo giratorio se había movido ligeramente. El ángulo entre este haz y el original podría usarse para determinar la velocidad a la que la luz debe haber viajado para llegar en el tiempo que tardó en girar el espejo. [11]
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Figura 4.2 |
Un diagrama que muestra un enfoque moderno para medir la velocidad de la luz utilizando el método de espejo giratorio de Foucault. |
4.5 Louis Essen y A. C. Gordon-Smith
En 1950, el físico británico Louis Essen y su colega A. C. Gordon-Smith pudieron determinar la velocidad de la luz midiendo su longitud de onda y frecuencia. [12,13]
La velocidad de la luz se puede encontrar usando c = d Δ t . Una longitud de onda ( λ ) es una distancia, y
frecuencia ( ν ) se refiere al número de longitudes de onda que pasan en ese tiempo ( es decir ν = [ 19459008] 1 Δ t ) , y así,
Essen y Gordon-Smith utilizaron un medidor de onda de resonancia de cavidad, un circuito eléctrico que oscila a una frecuencia conocida, y calcularon la longitud de onda en función de las dimensiones del medidor de onda. Determinaron que la luz viaja a aproximadamente 299,792 km / s (esto es un poco más de 1 billón de km / h, o 670 millones de mph), el valor aceptado hoy.
En 1905, la teoría de la relatividad especial de Albert Einstein (discutida en el Libro I) demostró que se necesitaría una cantidad infinita de energía para acelerar un objeto desde el reposo a la velocidad de la luz. [14]