Velocidad de la luz para niños
Datos para niños Velocidad de la luz |
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 Tiempo aproximado del recorrido de la luz entre
el Sol y la Tierra: 8 min 20 s |
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| Valores exactos | ||
| metros por segundo | 299 792 458 | |
| Unidades de Planck | 1 | |
| Valores aproximados | ||
| kilómetros por segundo | 300 000 | |
| millas por segundo | 186 000 | |
| kilómetros por hora | 1 080 000 000 | |
| Unidad astronómica por día | 173 | |
| Duración aproximada del tiempo que tarda la luz en recorrer | ||
| Distancia: | Tiempo: | |
| un metro | 3.34 ns | |
| un kilómetro | 3.34 μs | |
| desde la órbita geoestacionaria a la Tierra | 119 ms | |
| la longitud del Ecuador terrestre | 134 ms | |
| desde la Luna a la Tierra | 1.28 segundos | |
| desde el Sol a la Tierra (1 ua) | 8.32 min | |
| un parsec | 3.26 años | |
| desde Alfa Centauri a la Tierra | 4.37 años | |
| desde la galaxia más cercana a la Tierra | 25 000 años | |
| a través de la Vía Láctea | 100 000 años | |
| desde la galaxia de Andrómeda a la Tierra | 2 600 000 años | |
| desde la Tierra hasta el borde del universo observable | 46 500 000 000 años | |
La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal. Su valor exacto es de 299.792.458 metros por segundo. Para que te hagas una idea, esto es casi 300.000 kilómetros por segundo. Se usa la letra c para representarla, que viene de la palabra en latín celéritās, que significa celeridad o rapidez.
El valor de la velocidad de la luz en el vacío se incluyó oficialmente en el Sistema Internacional de Unidades en 1983. Esto significa que el metro se define ahora a partir de esta velocidad. También se usa para definir el año luz, que es la distancia que la luz recorre en un año. Un año luz equivale a unos 9.46 billones de kilómetros.
Cuando la luz viaja a través de un material que no es el vacío, como el agua o el aire, su velocidad es menor que c. Esto se debe a las propiedades del material. La forma en que la luz se ralentiza en un material se mide con algo llamado índice de refracción.
Contenido
¿Qué es la velocidad de la luz?
Según la física moderna, toda la radiación electromagnética (como la luz que vemos) se mueve a una velocidad constante en el vacío. Esta velocidad se conoce como la "velocidad de la luz" y se representa con la letra c. Es una constante física muy importante. La velocidad c también es la velocidad a la que se propaga la gravedad según la teoría de la relatividad general.
Una cosa sorprendente de la luz es que su velocidad no cambia, sin importar qué tan rápido se mueva el objeto que la emite. Por ejemplo, la luz de una estrella que se mueve muy rápido viajará a la misma velocidad que la luz de una lámpara quieta. Esto es una de las ideas principales de la relatividad especial de Albert Einstein.
Esto significa que cualquier persona que mida la velocidad de la luz en el vacío siempre obtendrá el mismo valor, sin importar dónde esté o qué tan rápido se mueva. Por eso, c es una constante fundamental en la física.
Si algo pudiera viajar más rápido que la luz, se rompería una regla fundamental de la física llamada causalidad. Esto significaría que un efecto podría ocurrir antes que su causa, lo cual no se ha observado nunca. La dilatación del tiempo en la relatividad especial explica por qué esto no sucede.
La velocidad de la luz es exactamente 299.792.458 metros por segundo. Este valor es clave para entender cómo funcionan el electromagnetismo y las ecuaciones de Maxwell.
Las distancias en el espacio, como las que hay entre estrellas y galaxias, se miden a menudo en años luz. Un año luz es la distancia que la luz recorre en un año.
¿Cómo se define el metro?
El metro es la unidad de longitud que usamos. Antes, se definía de otras maneras, como una parte de la distancia entre el Polo Norte y el Ecuador.
En 1983, se cambió la definición del metro para que dependiera de la velocidad de la luz. Ahora, el metro se define como la distancia que la luz recorre en el vacío en 1/299.792.458 de segundo.
Este cambio fue muy útil porque la velocidad de la luz es una constante universal. Así, los científicos de todo el mundo pueden calibrar sus instrumentos de forma muy precisa. Las antiguas barras de metal que se usaban para definir el metro no eran tan exactas, ya que podían cambiar con la temperatura o el desgaste.
La velocidad de la luz en las comunicaciones
La velocidad de la luz es muy importante para las telecomunicaciones. Por ejemplo, la Tierra tiene un perímetro de unos 40.075 kilómetros. Si la información pudiera viajar a la velocidad de la luz en línea recta, tardaría solo 0.067 segundos en dar la vuelta al mundo.
En la realidad, las señales tardan un poco más. Esto se debe a que la luz viaja más lento en los cables de fibra óptica (aproximadamente un 30% menos) y las señales no siempre van en línea recta. Además, hay pequeños retrasos cuando la señal pasa por equipos electrónicos. Por ejemplo, en 2004, una señal de Australia a Estados Unidos tardaba unos 0.18 segundos en llegar.
La velocidad finita de la luz se hizo muy evidente durante las misiones a la Luna. Cuando Neil Armstrong pisó la Luna, los controladores en Houston tenían que esperar unos 3 segundos para recibir una respuesta después de hacer una pregunta, incluso si los astronautas respondían de inmediato. Esto era el tiempo que tardaba la señal en viajar de la Tierra a la Luna y viceversa.
Para las naves espaciales que viajan a otros planetas, el control remoto instantáneo es imposible. Las señales pueden tardar horas en ir y venir, lo que significa que los científicos deben planificar con mucha antelación.
Incluso en distancias cortas, la velocidad de la luz es importante. En los superordenadores, limita la rapidez con la que los datos pueden viajar entre los procesadores. Si un procesador funciona a 1 GHz, la señal solo puede recorrer un máximo de 300 milímetros en un solo ciclo. Por eso, los procesadores deben estar muy cerca unos de otros para que la comunicación sea lo más rápida posible.
La velocidad de la luz en la física
¿Por qué la velocidad de la luz es constante?
La velocidad de la luz no es un límite de velocidad como los que conocemos en la carretera. Si un observador persiguiera un rayo de luz, lo mediría moviéndose a la misma velocidad que si estuviera quieto. Esto sucede porque el tiempo para el observador se ralentiza a medida que se mueve más rápido, un efecto llamado dilatación temporal. Esta ralentización hace que la luz siempre parezca moverse a la misma velocidad.
Normalmente, si dos coches se acercan a 50 km/h cada uno, esperaríamos que se vieran el uno al otro a 100 km/h. Pero a velocidades cercanas a la de la luz, esto no funciona así. Si dos naves se acercan al 90% de la velocidad de la luz, no se verán a 180% de la velocidad de la luz. En cambio, cada una verá a la otra acercándose a menos del 99.5% de la velocidad de la luz. Esto se explica con una fórmula especial de Albert Einstein.
Esta idea de que la velocidad de la luz es la misma para todos los observadores, sin importar su movimiento, es una de las bases de la teoría de la relatividad especial de Einstein. El experimento de Michelson y Morley en 1887 fue clave para demostrar que la velocidad de la luz es constante y que no existe un "éter" por el que la luz deba viajar.
¿Cómo interactúa la luz con los materiales?
Cuando la luz pasa a través de materiales transparentes como el agua o el vidrio, se ralentiza. La cantidad en que se ralentiza se mide con el índice de refracción del material. Cuanto mayor sea el índice de refracción, más lenta será la luz en ese material.
Esta disminución de la velocidad es lo que causa la refracción, que es cuando la luz se "dobla" o cambia de dirección al pasar de un material a otro. Por ejemplo, cuando ves un lápiz en un vaso de agua, parece que está doblado. Esto se debe a que la luz viaja más lento en el agua que en el aire.
La velocidad de la luz en un material también puede depender de su color (o frecuencia). Esto puede causar que la luz se separe en diferentes colores, un fenómeno llamado dispersión, como ocurre en un prisma.
A nivel muy pequeño, la refracción ocurre porque los fotones (las partículas de luz) interactúan con los electrones y átomos del material. La luz se propaga a través de los espacios entre los átomos, pero es "obstaculizada" por ellos, lo que la ralentiza.
¿Es posible ir más rápido que la luz?
En la ciencia ficción, a menudo se habla de viajar más rápido que la luz. Sin embargo, según las leyes de la física que conocemos, no es posible que la información o la materia viajen más rápido que c.
Algunos experimentos han logrado que la "velocidad de grupo" de la luz (que es la velocidad a la que viaja un pulso de luz) parezca exceder c en condiciones muy especiales, como al pasar por ciertos gases. Pero esto no significa que la información pueda viajar más rápido que la luz. Es como si una ola en un estadio se moviera muy rápido, pero ninguna persona individual se mueve más rápido que su propia capacidad de correr.
También se ha observado un movimiento que parece más rápido que la luz en algunos objetos astronómicos, como los chorros de materia que salen de las galaxias activas. Pero esto es solo una ilusión óptica causada por la forma en que vemos estos objetos que se mueven muy rápido y en un ángulo específico.
Existe un fenómeno llamado radiación Cherenkov, que ocurre cuando una partícula cargada viaja a través de un material más rápido que la velocidad de la luz en ese material (no más rápido que c en el vacío). Esto crea una especie de "onda de choque" de luz, similar a una explosión sónica de un avión.
Algunos científicos han propuesto teorías sobre una velocidad de la luz variable, sugiriendo que la luz pudo haber viajado más rápido en el pasado. Sin embargo, estas teorías no son ampliamente aceptadas.
En 2011, hubo un experimento en el CERN donde unos neutrinos parecían viajar ligeramente más rápido que la luz. Esto causó mucha emoción, pero más tarde se descubrió que fue un error de medición debido a una conexión defectuosa. Esto reafirmó que la velocidad de la luz en el vacío sigue siendo el límite de velocidad universal.
Experimentos para ralentizar la luz
Como ya mencionamos, la luz se ralentiza al pasar por materiales como el agua. Pero los científicos han logrado ralentizar la luz de forma mucho más drástica.
En 1999, un equipo de científicos liderado por Lene Hau logró reducir la velocidad de un rayo de luz a solo 17 metros por segundo. En 2001, incluso lograron detener la luz por un momento.
En 2003, Mijaíl Lukin y otros científicos lograron detener completamente la luz al dirigirla a un gas de rubidio caliente. Los átomos del gas actuaron como "pequeños espejos" que detuvieron la luz.
Es importante recordar que la luz se ralentiza cuando se mueve a través de cualquier medio que sea más denso que el vacío, como el aire, el agua o el aceite.
Historia de la medición de la velocidad de la luz
| <1638 | Galileo, señales con linternas | no concluyente |
| <1667 | Accademia del Cimento, señales con linternas | no concluyente |
| 1675 | Rømer y Huygens, lunas de Júpiter | 220 000 |
| 1729 | James Bradley, aberración de la luz | 301 000 |
| 1849 | Hippolyte Fizeau, rueda dentada | 315 000 |
| 1862 | Léon Foucault, espejo en rotación | 298 000 ± 500 |
| 1907 | Rosa y Dorsey, constantes electromagnéticas | 299 710 ± 30 |
| 1926 | Albert A. Michelson, espejo en rotación | 299 796 ± 4 |
| 1950 | Essen y Gordon-Smith, cavidad resonante | 299 792.5 ± 3.0 |
| 1958 | K.D. Froome, radio interferometría | 299 792.50 ± 0.1 |
| 1972 | Evenson y otros, interferometría láser | 299 792.4562 ± 0.0011 |
| 1983 | 17.º CGPM, definición del metro | 299 792.458 (exacta) |
Durante mucho tiempo, la gente se preguntó si la luz tenía una velocidad finita o si era instantánea. Filósofos como Empédocles pensaban que la luz se movía, mientras que Aristóteles creía que era instantánea.
Herón de Alejandría argumentó que la velocidad de la luz debía ser infinita, porque cuando abrimos los ojos, vemos las estrellas de inmediato.
Primeros intentos de medición
En el siglo XVII, científicos como Galileo y Isaac Beeckman propusieron experimentos para medir la velocidad de la luz usando linternas o cañones. Sin embargo, estos experimentos no tuvieron éxito porque la luz es increíblemente rápida. La Accademia del Cimento en Florencia realizó el experimento de Galileo en 1667, pero no detectaron ningún retraso.
Primeras mediciones exitosas
La primera estimación exitosa de la velocidad de la luz la hizo Ole Rømer en 1676. Él estudió el movimiento de Ío, una de las lunas de Júpiter, usando un telescopio. Rømer notó que los eclipses de Ío (cuando la luna entra o sale de la sombra de Júpiter) ocurrían un poco más tarde de lo esperado cuando la Tierra se alejaba de Júpiter, y un poco antes cuando se acercaba.
Rømer se dio cuenta de que este retraso o adelanto se debía al tiempo que tardaba la luz en viajar la distancia extra o menor entre la Tierra y Júpiter. Con base en sus observaciones, estimó que la luz tardaba 22 minutos en cruzar el diámetro de la órbita de la Tierra. Con este dato, Christiaan Huygens calculó que la velocidad de la luz era de unos 220.000 km/s, un valor muy cercano al real para la época.
Más tarde, en 1728, James Bradley confirmó que la luz tenía una velocidad finita al observar un fenómeno llamado aberración de la luz en las estrellas. Calculó la velocidad de la luz en unos 301.000 km/s, un valor muy preciso.
Medidas directas en la Tierra
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La primera vez que se midió la velocidad de la luz directamente en la Tierra fue en 1849 por Hippolyte Fizeau. Su experimento usaba un rayo de luz que pasaba a través de una rueda dentada giratoria, viajaba hasta un espejo y regresaba. Al ajustar la velocidad de la rueda, Fizeau podía calcular la velocidad de la luz. Él obtuvo un valor de 315.000 km/s.
Léon Foucault mejoró el método de Fizeau en 1862, usando un espejo giratorio en lugar de una rueda dentada. Su medición fue de 298.000 km/s. Más tarde, Albert Michelson perfeccionó aún más este método, obteniendo un valor de 299.796 km/s en 1926.
Otra forma de medir la velocidad de la luz es usando la relación entre la frecuencia y la longitud de onda de una onda electromagnética. Los científicos pueden medir estas propiedades con mucha precisión en una "cavidad de resonancia". En 1946, Louis Essen y AC Gordon-Smith usaron este método y obtuvieron un resultado muy preciso de 299.792 km/s.
La interferometría es otra técnica avanzada. Consiste en dividir un rayo de luz en dos caminos y luego recombinarlos para crear un patrón de interferencia. Al medir los cambios en este patrón, se puede determinar la longitud de onda de la luz. Combinando esto con la frecuencia conocida de la luz (especialmente con láseres), se puede calcular la velocidad de la luz con una precisión increíble. En 1972, se logró una precisión muy alta con esta técnica.
Galería de imágenes
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Un haz de láser en el aire viajando a cerca del 99.97 % de la rapidez de la luz en el vacío (el índice de refracción del aire es alrededor de 1.0003)
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Cono de luz. Diagrama espacio-tiempo, que permite dilucidar la posible causalidad entre el suceso A y el suceso B (posible causalidad) y entre el suceso A y el suceso C (causalidad imposible)
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Tiempos de retardo de la señal GPS en función de la distancia de los satélites al observador, lo que permite calcular su posición
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Refracción de la luz
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Diagrama del aparato de Fizeau-Foucault
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Ondas electromagnéticas estacionarias en una cavidad de resonancia
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Determinación interferométrica de longitud. Izquierda: interferencia constructiva; Derecha: Interferencia destructiva.
Véase también
En inglés: Speed of light Facts for Kids
