lunes, 7 de febrero de 2011

La medida de la velocidad de la luz

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El mes pasado ya comentamos que fue el astrónomo danés Ole Rømer el primero que demostró experimentalmente la finitud de la velocidad de la luz. Rømer determinó en 1676 que la luz tardaba 22 minutos en recorrer el diámetro de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. En 1690, el neerlandés Christiaan Huygens combinó este resultado con la estimación de la época de la distancia de la Tierra al Sol y obtuvo un valor para la velocidad de la luz de 220.000 km/s.
Pero los resultados de Rømer no convencieron a toda la comunidad científica. Cassini, superior de Rømer en el Observatorio Real de París, y Hooke en Inglaterra presentaron objeciones a una velocidad finita tan alta y defendieron (equivocadamente) la infinitud de la velocidad de la luz.
La evidencia definitiva llegó en 1725, con el descubrimiento de la aberración de la luz. El astrónomo inglés James Bradley trataba de medir la distancia a las estrellas triangulando su posición en dos épocas diferentes del año. Es lo que se llama la paralaje. Si la medida se hacía cuando la Tierra se encontraba en puntos opuestos de su órbita, la determinación precisa de la variación en la posición aparente de la estrella en el cielo permite definir un triángulo y, por tanto, calcular la distancia de la Tierra a dicha estrella. Estas medidas venían realizándose desde el siglo XVI, pero los desplazamientos que se medían en los distintos puntos de la órbita terrestre no eran coherentes con los que cabía esperar de una paralaje. Bradley, ayudado por el parlamentario y astrónomo aficionado Samuel Molyneux, descubrió que la posición aparente de las estrellas sufría un desplazamiento que sólo dependía de la componente de la velocidad orbital de la Tierra transversal a la luz de la estrella. Este desplazamiento, que puede alcanzar hasta 20 segundos de arco (o sea, 1/180º), es independiente de la distancia a la estrella.
La aberración de la luz sólo es posible si su velocidad es finita. El efecto, en definitiva, es una composición de dos velocidades perpendiculares. Un fenómeno análogo es el que se observa cuando se corre o se viaja en coche bajo la lluvia. Cuanta mayor es la velocidad con la que nos desplazamos, mayor es la inclinación aparente de las gotas de lluvia en su caída.
Bradley determinó que la velocidad de la luz es 10.210 veces mayor que la velocidad de la Tierra en su órbita, lo que corresponde a poco más de 300.000 kilómetros por segundo, un valor muy próximo al actual.
En 1849, el físico francés Hippolyte Fizeau realizó la primera medición de la velocidad de la luz sin recurrir a fenómenos astronómicos. En su experimento, envió un haz de luz a un espejo situado en la colina de Montmartre (París), desde el monte Valérien, a 8633 metros de distancia. El espejo devuelve la luz al observador pero se ha colocado en su recorrido una rueda dentada giratoria de manera que la luz puede pasar por las escotaduras, pero queda interrumpida por los dientes. Cuando la rueda gira lentamente, la luz que regresa se observa de manera intermitente. A mayor velocidad, llega un momento en el que la persistencia de la visión en la retina impide observar la intermitencia, y la luz parece fija. Pero Fizeau observó que cuando la rueda alcanzaba las 12,6 revoluciones por segundo, la luz dejaba de verse: el haz de luz que pasaba por una escotadura a la ida se encontraba con un diente a la vuelta. De esta manera, Fizeau pudo determinar el tiempo que tardaba la luz en ir y volver desde la rueda dentada al espejo, y así medir su velocidad: 315.000 km/s. Un error de sólo un 5%, impresionante para los medios con los que se contaba en la época. En 1868, el físico francés Léon Foucault perfeccionó el experimento sustituyendo la rueda dentada por un espejo giratorio, y obtuvo una velocidad de 298.000 km/s.
En 1878, el físico estadounidense Albert Michelson, con un dispositivo similar al de Foucault, obtuvo un valor de 300.140 ± 480 km/s. Por primera vez, el valor actual estaba contenido en el intervalo de error. El mismo Michelson, en 1926, realizó la experiencia entre el monte Wilson y el monte San Antonio, distantes 35 kilómetros, y obtuvo 299.796 ± 4 km/s.
En 1947, el físico inglés Louis Essen utilizó una cavidad de microondas para calcular la velocidad de la luz a partir de la medida de las frecuencias de resonancia de las microondas en la cavidad y de las longitudes de onda de las mismas, deducibles de geometría del dispositivo. (La velocidad de una onda es el producto de su longitud de onda por su frecuencia.) La velocidad así obtenida fue de 299.792 ± 3 km/s. En 1950 refinó el experimento y obtuvo un valor de 299.792,5 ± 1 km/s.
En 1958, el físico inglés Keith Davy Froome obtuvo 299.792,5 ± 0,1 km/s con un interferómetro de ondas de radio milimétricas.
En 1972, con un láser estabilizado de helio-neón, alcanzó una precisión impensable hasta entonces: 299.792,4574 ± 0,0011 km/s. Con el mismo tipo de láser, Woods, Shotton y Rowley perfeccionaron el experimento y en 1978 obtuvieron un valor aún más preciso: 299.792,45898 ± 0,0002 km/s. De hecho, su precisión era mejor que la del antiguo metro patrón de platino iridiado.

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