Esta pregunta se puede entender de diferentes formas. Por tanto, existen distintas respuestas.
¿Existe una velocidad diferente de la luz en el aire o en el agua?
Si. La luz se ralentiza en sustancias transparentes como el aire, el agua o el vidrio. La cantidad de veces que la luz se ralentiza está determinada por el índice de refracción (índice de refracción) del medio. Siempre es mayor que uno. Este descubrimiento fue realizado por Leon Foucault en 1850.
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Cuando hablan de la "velocidad de la luz", por lo general se refieren a la velocidad de la luz en el vacío. Es ella quien está designada por la letra c.
¿Es constante la velocidad de la luz en el vacío?
En 1983, la Conferencia General de Pesas y Medidas (Conference Generale des Poids et Mesures) adoptó la siguiente definición del medidor SI:
Un metro es la longitud de la trayectoria de la luz en el vacío durante 1/299 792 458 segundos
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Esto también determinó que la velocidad de la luz en el vacío es exactamente igual a 299792458 m / s. Respuesta corta a la pregunta "¿Es c una constante": Sí, c es una constante por definición!
Pero esa no es la respuesta completa. El sistema SI es muy práctico. Sus definiciones se basan en los métodos de medición más conocidos y se revisan constantemente. Hoy en día, para la medición más precisa de distancias macroscópicas, se envía un pulso de luz láser y se mide el tiempo que tarda la luz en recorrer la distancia requerida. El tiempo se mide con un reloj atómico. La precisión del mejor reloj atómico es 1/10 13. Es esta definición del metro la que proporciona el error mínimo al medir la distancia.
Las definiciones del sistema SI se basan en cierta comprensión de las leyes de la física. Por ejemplo, se supone que las partículas de luz, los fotones, no tienen masa. Si el fotón tuviera una masa en reposo pequeña, entonces la definición del medidor en el sistema SI no sería correcta, porque la velocidad de la luz dependería de la longitud de onda. De la definición no se deduciría que la velocidad de la luz sea constante. Sería necesario refinar la definición de metro agregando el color de la luz que se utilizará.
Se sabe por experimentos que la masa de un fotón es muy pequeña o igual a cero. La posible masa distinta de cero de un fotón es tan pequeña que es irrelevante para determinar el medidor en un futuro previsible. No se puede demostrar que este sea un cero exacto, pero en las teorías modernas generalmente aceptadas es cero. Sin embargo, si no es cero y la velocidad de la luz no es constante, entonces teóricamente debería haber una cantidad c - el límite superior de la velocidad de la luz en el vacío, y podemos hacer la pregunta "¿es esta cantidad c constante?"
En el pasado, el metro y el segundo se determinaban de diferentes formas basadas en mejores técnicas de medición. Las definiciones pueden cambiar en el futuro. En 1939, el segundo se definió como 1/84600 de la duración media de un día, y el metro como la distancia entre los riesgos de una varilla de una aleación de platino e iridio almacenada en Francia.
Ahora, con la ayuda de un reloj atómico, se ha establecido que la duración media de un día cambia. Se especifica el tiempo estándar, a veces sumando o restando una fracción de segundo. La velocidad de rotación de la Tierra se reduce en aproximadamente 1 / 100.000 de segundo por año debido a las fuerzas de marea entre la Tierra y la Luna. Puede haber cambios aún mayores en la longitud del metro estándar debido a la compresión del metal.
Como resultado, en ese momento la velocidad de la luz, medida en unidades de m / s, cambió ligeramente con el tiempo. Está claro que los cambios en el valor de c fueron causados más por las unidades utilizadas que por la inconstancia de la velocidad de la luz misma, pero es erróneo suponer que la velocidad de la luz ahora se ha vuelto constante, simplemente porque es una constante en el sistema SI.
Las definiciones en el sistema SI revelaron que para responder a nuestra pregunta, necesitamos aclarar lo que queremos decir cuando hablamos de la constancia de la velocidad de la luz. Tenemos que definir definiciones de unidades de longitud y tiempo para medir la cantidad c. En principio, se pueden obtener diferentes respuestas al medir en un laboratorio y al usar observaciones astronómicas. (Una de las primeras mediciones de la velocidad de la luz fue hecha en 1676 por Olaf Roemer basándose en los cambios observados en el período de eclipse de las lunas de Júpiter).
Por ejemplo, podríamos tomar las definiciones establecidas entre 1967 y 1983. Luego, el medidor se definió como 1650763.73 longitudes de onda de luz rojo-naranja de la fuente en el kriptón-86, y el segundo se definió (como lo es hoy) como 9192631770 períodos de radiación correspondientes a la transición entre dos niveles hiperfinos de cesio-133. A diferencia de las definiciones anteriores, estas se basan en cantidades físicas absolutas y son aplicables siempre y en todas partes. ¿Podemos decir que la velocidad de la luz es constante en estas unidades?
A partir de la teoría cuántica del átomo, sabemos que las frecuencias y longitudes de onda están determinadas principalmente por la constante de Planck, la carga del electrón, las masas del electrón y del núcleo y la velocidad de la luz. Se pueden obtener cantidades adimensionales a partir de los parámetros enumerados, como la constante de estructura fina y la relación de las masas del electrón y el protón. Los valores de estas magnitudes adimensionales no dependen de la elección de las unidades de medida. Por tanto, la pregunta es muy importante, ¿estos valores son constantes?
Si cambiaran, no solo afectaría la velocidad de la luz. Toda la química se basa en estos valores, de ellos dependen las propiedades químicas y mecánicas de todas las sustancias. La velocidad de la luz cambiaría de diferentes maneras al elegir diferentes definiciones para las unidades de medida. En este caso, tendría más sentido atribuir su cambio a un cambio en la carga o masa de un electrón que a un cambio en la velocidad de la luz.
Observaciones suficientemente fiables muestran que los valores de estas cantidades adimensionales no cambiaron durante la mayor parte de la vida del universo. … Consulte el artículo de preguntas frecuentes ¿Han cambiado las constantes físicas con el tiempo?
[En realidad, la constante de estructura fina depende de la escala de energía, pero aquí nos referimos a su límite de energía baja.]
Teoría especial de la relatividad
La definición del metro en el sistema SI también se basa en el supuesto de que la teoría de la relatividad es correcta. La velocidad de la luz es una constante de acuerdo con el postulado básico de la teoría de la relatividad. Este postulado contiene dos ideas:
- La velocidad de la luz no depende del movimiento del observador.
- La velocidad de la luz no depende de coordenadas en el tiempo y el espacio.
La idea de que la velocidad de la luz es independiente de la velocidad del observador es contradictoria. Algunas personas ni siquiera pueden estar de acuerdo en que esta idea tenga sentido. En 1905, Einstein demostró que esta idea es lógicamente correcta si abandonamos la suposición sobre la naturaleza absoluta del espacio y el tiempo.
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En 1879, se creía que la luz debería propagarse a través de algún medio en el espacio, como el sonido se propaga a través del aire y otras sustancias. Michelson y Morley establecieron un experimento para detectar éter observando el cambio en la velocidad de la luz cuando la dirección del movimiento de la Tierra en relación con el Sol cambia durante el año. Para su sorpresa, no se detectó ningún cambio en la velocidad de la luz.
Fitzgerald sugirió que este es el resultado de acortar la longitud de la configuración experimental cuando se mueve en el éter en tal cantidad, por lo que es imposible detectar un cambio en la velocidad de la luz. Lorenz extendió esta idea al ritmo del reloj y demostró que no se podía detectar el éter.
Einstein creía que los cambios en la duración y el ritmo de los relojes se entienden mejor como cambios en el espacio y el tiempo, en lugar de cambios en los objetos físicos. El espacio y el tiempo absolutos, introducidos por Newton, deben abandonarse. Poco después, el matemático Minkowski demostró que la teoría de la relatividad de Einstein se puede interpretar en términos de geometría no euclidiana de cuatro dimensiones, considerando el espacio y el tiempo como una sola entidad: el espacio-tiempo.
La teoría de la relatividad no solo tiene una base matemática, sino que también está respaldada por numerosos experimentos directos. Posteriormente, los experimentos de Michelson-Morley se repitieron con mayor precisión.
En 1925, Dayton Miller anunció que había descubierto cambios en la velocidad de la luz. Incluso recibió un premio por este descubrimiento. En la década de 1950, una consideración adicional de su trabajo mostró que los resultados aparentemente estaban relacionados con los cambios de temperatura diurnos y estacionales en su configuración experimental.
Los instrumentos físicos modernos podrían detectar fácilmente el movimiento del éter si existiera. La Tierra se mueve alrededor del Sol a una velocidad de unos 30 km / s. Si se sumaran las velocidades, de acuerdo con la mecánica newtoniana, entonces los últimos 5 dígitos del valor de la velocidad de la luz, postulados en el sistema SI, no tendrían sentido. Hoy en día, los físicos del CERN (Ginebra) y Fermilab (Chicago) aceleran las partículas todos los días hasta un cabello cercano a la velocidad de la luz. Cualquier dependencia de la velocidad de la luz del marco de referencia se habría notado hace mucho tiempo, a menos que sea imperceptiblemente pequeña.
¿Qué pasaría si, en lugar de una teoría sobre el cambio en el espacio y el tiempo, siguiéramos la teoría de Lorentz-Fitzgerald, que sugirió que el éter existe pero no se puede detectar debido a cambios físicos en la longitud de los objetos materiales y en el ritmo de los relojes?
Para que su teoría sea consistente con las observaciones, el éter debe ser indetectable con un reloj y una regla. Todo, incluido el observador, se contraería y desaceleraría exactamente en la cantidad requerida. Tal teoría podría hacer las mismas predicciones para todos los experimentos que la teoría de la relatividad. Entonces, el éter sería una entidad metafísica, a menos que encuentren otra forma de detectarlo; nadie ha encontrado todavía esa forma. Desde el punto de vista de Einstein, tal entidad sería una complicación innecesaria, sería mejor eliminarla de la teoría.
Teoría general de la relatividad
Einstein desarrolló una teoría de la relatividad más general, que explicaba la gravedad en términos de la curvatura del espacio-tiempo, y habló sobre el cambio en la velocidad de la luz en esta nueva teoría. En 1920, en el libro Relatividad. La teoría especial y general”, escribe:
… En la teoría general de la relatividad, la ley de constancia de la velocidad de la luz en el vacío, que es uno de los dos supuestos fundamentales en la teoría especial de la relatividad, […] no puede ser incondicionalmente válida. La curvatura de un rayo de luz se puede realizar solo cuando la velocidad de propagación de la luz depende de su posición.
Dado que Einstein estaba hablando de un vector de velocidad (velocidad y dirección), y no solo de velocidad, no está claro si quiso decir que la magnitud de la velocidad cambia, pero la referencia a la relatividad especial dice que sí, lo hizo. Esta comprensión es absolutamente correcta y tiene un significado físico, pero de acuerdo con la interpretación moderna, la velocidad de la luz es constante en la teoría general de la relatividad.
La dificultad aquí es que la velocidad depende de las coordenadas y son posibles diferentes interpretaciones. Para determinar la velocidad (distancia recorrida / tiempo transcurrido) primero debemos elegir algunos estándares de distancia y tiempo. Diferentes estándares pueden dar diferentes resultados. Esto es aplicable a la teoría especial de la relatividad: si mide la velocidad de la luz en un marco de referencia acelerado, entonces, en el caso general, difiere de c.
En relatividad especial, la velocidad de la luz es una constante en cualquier marco de referencia inercial. En relatividad general, una generalización apropiada es que la velocidad de la luz es constante en cualquier marco de referencia que cae libremente en una región lo suficientemente pequeña como para despreciar las fuerzas de las mareas. En la cita anterior, Einstein no está hablando de un marco de referencia en caída libre. Habla de un marco de referencia en reposo relativo a la fuente de gravedad. En tal marco de referencia, la velocidad de la luz puede diferir de c debido a la influencia de la gravedad (curvatura del espacio-tiempo) en el reloj y la regla.
Si la teoría general de la relatividad es correcta, entonces la constancia de la velocidad de la luz en un marco de referencia inercial es una consecuencia tautológica de la geometría del espacio-tiempo. Viajar a velocidad c en un sistema de referencia inercial es viajar a lo largo de una línea recta del mundo en la superficie de un cono de luz.
El uso de la constante c en el sistema SI como coeficiente para la conexión entre el medidor y el segundo está completamente justificado, tanto teórica como prácticamente, porque c no es solo la velocidad de la luz, es una propiedad fundamental de la geometría espacio-temporal.
Como sucede con la relatividad especial, las predicciones de la relatividad general han sido confirmadas por muchas observaciones.
Como resultado, llegamos a la conclusión de que la velocidad de la luz es constante, no solo de acuerdo con las observaciones. A la luz de teorías físicas bien probadas, ni siquiera tiene sentido hablar de su inconstancia.
