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La velocidad de la luz 27 enero 2011

Posted by José Ignacio Merino in Óptica, Relatividad.
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Hoy hablaré de un hecho que a todo el mundo le resulta sorprendente y chocante cuando lo escucha: la velocidad de la luz.

Quizás estén pensando: “Pues vaya chorrada, todo el mundo sabe que la velocidad de la luz son 300.000 km/s”. Y efectivamente tendrás razón. La luz recorre 300.000 kilómetros en tan sólo 1 segundo. Este hecho es realmente sorprendente, pero no es lo verdaderamente sorprendente de la velocidad de la luz. Tendrás que seguir leyendo.

Antes de nada un poco de historia. Desde hace muchísimos años se sabe que la propagación del sonido tiene su tiempo. El rayo aparece y algunos segundos después se escucha el trueno, cuando un cañón dispara en la lejanía puedes ver el fogonazo del mismo pero el sonido no llega hasta algunos segundos después.

Así pues se conocía perfectamente a qué velocidad se propagaba el sonido, pero ¿y la luz? ¿a qué velocidad se propagaba? ¿era instantánea o no? Esta fue una pregunta importante durante mucho tiempo y sólo se pudo averiguar mirando hacia Júpiter.

Como creo que sabrás, Júpiter tiene una luna llamada Io. Desde la Tierra, con un telescopio, podemos observar claramente cómo esa luna gira alrededor de Júpiter. Y también podemos observar cómo en su periodo orbital aparece como un punto negro delante de Júpiter para luego desaparecer por el lado contrario.

Transición de Io por Júpiter

Transición de Io por Júpiter - (Credito: Cassini Imaging Team, Cassini Project, NASA)

Pero algo fallaba. Se sabía perfectamente a qué velocidad se movía Io y también cuál era el radio de Júpiter, así que  cuando aparecía el punto de la luna en el planeta se conocía con exactitud cuánto tiempo tardaría en desaparecer de nuevo por el otro lado. Sin embargo la observación daba resultados distintos. Dependiendo en qué época del año observásemos podíamos ver que había un retraso o un adelanto que podía llegar hasta los 16 minutos con respecto a lo que en realidad debería tardar.

Fue el danés Ole Roemer en 1676 quien se dio cuenta que este fenómeno era debido a que la luz tendría una velocidad finita. Cuando Io aparecía en la superficie de Júpiter la Tierra seguía su movimiento que podía ser alejándose o acercándose a Júpiter (dependiendo en qué parte de la órbita estuviésemos). Eso hacía que cuando esa luna desaparecía, la Tierra estaba más lejos o más cerca y por tanto nunca tardaba lo mismo en hacerlo pues había que tener en cuenta que la luz que nos llegaba de Júpiter tardaba más o menos en llegar desde que comenzaba el fenómeno.

Así pues haciendo unos cálculos no muy complicados Roemer determinó por primera vez la velocidad de la luz: 300.000 kilómetros por segundo.

Pero como te dije esto no es lo realmente sorprendente, sino que esa velocidad es constante siempre. “¡Pues vaya noticia!” podrás pensar. Pero piensa por un momento lo que eso implica.

Imagina que estás sentado en una estación de trenes y ves pasar un tren digamos que a 50 km/h. Por la ventanilla tu ves a un niño andar por el pasillo en la dirección en la que avanza el tren pero ¿a qué velocidad lo ves moverse? Para la madre del niño, que estará sentada en un asiento del tren éste se moverá a 2 km/h. Pero para ti, que estás fuera, verás al niño moverse con una velocidad de 52 km/h pues a la velocidad del niño tenemos que sumarle la velocidad con la que va el tren. Este se conoce como principio de relatividad de Galileo.

Si yo voy montado en ese mismo tren cuando está circulando a 100 km/h y disparo una bala hacia delante, ésta saldrá con la velocidad suya propia (digamos unos 200 km/h) más la velocidad a la que va el tren, es decir se moverá a 300 km/h para un observador que esté sentado fuera viendo la escena. Pero curiosamente si esa persona, en vez de disparar una bala, encendiese una linterna la luz saldría de esta siempre con la misma velocidad: 300.000 km/s.

Esto fue demostrado sin querer por los señores Michelson y Morley en 1887. Y digo sin querer porque en realidad estaban intentando medir otra cosa bien distinta. Verás, en esa época se pensaba que la luz se tenía que transmitir por algún medio. Si la olas eran ondas que se transmitían por el agua, el sonido eran ondas que se transmitían por el aire y se sabía que la luz también era una onda, ¿cuál era el medio por el que éstas se transmitían? Como no se conocía se le denominó “éter”. Ellos pensaban que el éter era una especie de “viento” que llenaba todo el espacio. Como podríamos ver la luz del Sol y de las estrellas, el Universo debería estar lleno de ese éter. Pero a su vez debería de ser muy tenue pues la Tierra y los planetas se movían por ese éter como si tal cosa. Así pues pensó en ver a qué velocidad se mueve la Tierra con respecto a ese éter.

Para ello dividió un rayo de luz en 2 y con espejos se haría que una parte de ese rayo se moviese en la dirección del movimiento de la Tierra y la otra parte del rayo en la dirección perpendicular. El rayo que saliese en la dirección del movimiento de la Tierra sumaría su velocidad a la velocidad de la Tierra y el rayo que se moviese en dirección perpendicular se movería tan sólo a la velocidad de la luz. Así que cuando los 2 rayos volviesen a encontrarse, uno debería ir desfasado con respecto al otro pues se movería más rápido. Con este experimento querían medir cuán de rápido se movería el éter, pero en realidad descubrieron otra cosa mucho más importante: Ambos rayos no se desfasaban, por tanto ambos iban igual de rápido. Repitieron este experimento en distintas épocas del año y nada: no había variación en la velocidad de ambos rayos.

Exactamente igual que lo que te he explicado antes del hombre que montado en un tren encendía una linterna: da igual a la velocidad a la que se mueve el tren, la luz sale siempre igual de rápido.

Llevemos ese ejemplo al extremo y verás lo sorprendente que es. Imagina que eres un policía del sigo XXX que persigue a una banda de ladrones. Ambos os movéis en naves espaciales capaces de ir a velocidades muy cercanas a la de la luz. Los ladrones huyen a una velocidad de un 99.99999% la de la luz (casi están rozándola) y tu los persigues a una velocidad de un 99.99% la de la luz (algo más lento, pero no está nada mal).

Como los bandidos van más rápido y escaparán, decides destruir el motor de su nave lanzando un rayo láser. Así pues disparas y… ¿a qué velocidad ves alejarse ese rayo? Pues sorprendentemente a 300.000 km/s. ¿Y los bandidos a qué velocidad lo verán acercarse? También a 300.000 km/s. Fíjate que ambos estáis rozando la velocidad de la luz y sin embargo veis los rayos alejarse y acercarse igual de rápido, como si estuvieseis quietos. ¿Y un observador externo que pasase por allí? ¿A qué velocidad vería moverse el láser? Pues también a 300.000 km/s independientemente si se está moviendo o si está quieto. Todos coincidís en lo mismo: la luz se mueve con la misma velocidad

Sorprendente ¿verdad? Si te estás preguntando cómo es posible eso te diré que nadie lo sabe: simplemente ocurre así. Y si te estás imaginando que te estoy explicando lo último en física, siento decepcionarte: Si te fijas el experimento de Michelson y Morley es de 1887. Es decir, desde hace más de 120 años se sabe esto.

Pero volvamos a la persecución. Si para ti, los bandidos y ese señor que pasaba por allí la velocidad de la luz que miden es la misma, algo tendrá que ser distinto para los 3 observadores ¿verdad?. La respuesta a esta pregunta es: el tiempo. Para que la luz sea igual de rápida para los 3 independientemente si os movéis o no y a qué velocidad lo hacéis, tendrá que cambiar el concepto de tiempo en cada caso. Cada uno verá transcurrir el tiempo de distinta forma y cada uno verá el fenómeno de forma distinta. Justamente esta es la base de la teoría de la Relatividad de Einstein, la cual sustituye al principio de Relatividad de Galileo. Pero bueno, la Relatividad es muy extensa como para explicarla aquí. Seguramente la iré explicando más adelante y muy poquito a poco. Por ahora basta que te quedes con esa idea: para poder encajar el hecho experimental que la luz se mueve con la misma velocidad para todo observador, independientemente de la velocidad a la que este se mueva, debemos de variar el concepto de tiempo para que esto sea así. Es decir, tu moviéndote a 100 km/h tienes un transcurrir de tiempo distinto que otra persona moviéndose al 50% de la velocidad de la luz y esta tendrá otro transcurrir de tiempo distinto a una persona que se mueva a un 99.99% de la velocidad de la luz. Si admitimos eso, podemos hacer que la velocidad de la luz para todos los observadores es la misma: 300.000 km/s.

Por cierto, la Relatividad de Einstein se teorizó en 1905, con lo cual este conocimiento que quizás estés descubriendo tú ahora lleva más de 100 años descubierto.

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