La constancia de la velocidad de la luz

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En 1856, los físicos alemanes Wilhelm Weber y Rudolf Kohlrausch utilizaron una botella de Leiden para medir el cociente entre las unidades absolutas de carga electromagnética y de carga electrostática, lo que en términos modernos se puede expresar como la relación entre la fuerza con la que se atraen dos cargas electrostáticas según la ley de Coulomb y la fuerza con la que se atraen dos corrientes eléctricas paralelas según la ley de Ampère.

De acuerdo con el cálculo dimensional, la magnitud medida por Weber y Kohlrausch era una velocidad; su valor numérico era muy cercano al de la velocidad de la luz medida por Fizeau unos años antes. Weber y Kohlrausch fueron los primeros en llamar "c" a esa velocidad.

Pocos años más tarde, al desarrollar sus ecuaciones del electromagnetismo, el físico escocés James Clerk Maxwell tuvo noticia de este resultado y propuso que la luz era en realidad una onda electromagnética que se desplazaba a la velocidad "c" medida por Weber y Kohlrausch. En aquella época se pensaba que las ondas electromagnéticas necesitaban un medio material para propagarse, así que para explicar la propagación de la luz en el vacío se propuso la existencia de un "éter luminífero" que llenaba todo el Universo. Sin embargo, el elevado valor de la velocidad de la luz, y el hecho de que la existencia de este éter no afectaba aparentemente a los movimientos de los astros, obligaban a otorgarle una propiedades mecánicas inverosímiles: debía ser un fluido transparente y continuo para llenar todo el espacio, sin masa y sin viscosidad para no afectar a las órbitas de los planetas, y a la vez tenía que ser millones de veces más rígido que el acero para soportar las altas frecuencias de las ondas luminosas.

El interferómetro de Michelson (Albert Michelson, 1881)

Según las ecuaciones de Maxwell, el valor de la velocidad de la luz en el vacío debía ser constante e igual a "c", así que el éter debía estar en reposo y servir de sistema de referencia absoluto, puesto que cualquier movimiento del éter modificaría la velocidad de la luz en la dirección de ese movimiento. Así pues, varios experimentos trataron de medir el movimiento de la Tierra respecto a ese éter inmóvil. El más famoso de estos experimentos es el que realizaron en 1887 los físicos estadounidenses Albert Michelson y Edward Morley. El montaje experimental para este experimento, llamado interferómetro de Michelson, permitía enviar dos rayos de luz en direcciones perpendiculares, de manera que recorrían la misma distancia de ida y vuelta y se recogían en un punto común, donde interferían uno con otro; cualquier diferencia en las velocidades de los dos rayos modificaría el patrón de las interferencias medidas. Si la Tierra se mueve respecto al éter, la velocidad del rayo de luz que se mueve en la misma dirección que la Tierra debería verse alterada, mientras que la del otro rayo, perpendicular, no se ve afectada.

Esa alteración en la velocidad del rayo de luz que se mueve en la misma dirección que la Tierra no se compensa en el viaje de vuelta, como puede visualizarse con un ejemplo: Imaginemos un pajarito que está construyendo su nido sobre el último vagón de un tren de mercancías; a cien metros de distancia hay otro vagón que transporta un cargamento de madera, de donde el pájaro está recogiendo astillas. Supongamos, para facilitar los cálculos, que el pájaro vuela con una velocidad constante de dos metro por segundo; mientras el tren está en reposo, invertirá cien segundos en un viaje de ida y vuelta en busca de astillas para su nido. Pero si el tren se pone en marcha con una velocidad de un metro por segundo, cuando el pájaro, volando hacia delante desde su nido, recorre cien metros, no llega a la madera, puesto que el tren también se ha movido. Ahora, el pájaro tarda cien segundos sólo en su viaje de ida; en ese tiempo, la madera ha avanzado cien metros y el pájaro ha tenido que recorrer doscientos para alcanzarla. A la vuelta, el pájaro va a tardar menos, porque el nido viene a su encuentro; en sólo 33,3 segundos, el pájaro, a dos metros por segundo, recorre 66,6 metros, mientras que el nido, en sentido contrario, recorre los 33,3 metros restantes. El tiempo total que ha necesitado el pájaro en su viaje de ida y vuelta con el tren en movimiento es de 133,3 segundos, más que los 100 segundos que invirtió en el viaje con el tren parado.

Pero la luz no funciona así. En todas las ocasiones en las que se ha realizado el experimento de Michelon y Morley, y otros parecidos, jamás se han podido medir alteraciones semejantes en la velocidad de la luz. El fracaso del experimento de Michelson y Morley demostró que el "éter luminífero", tal como se había postulado, no existe.

A la vista del resultado del experimento de Michelson y Morley, el físico neerlandés Hendrik Lorentz propuso que el movimiento del interferómetro provoca una contracción en la longitud del aparato que compensa la variación de la velocidad de la luz; más tarde, el matemático francés Henri Poincaré concluyó que la velocidad de la luz era un límite infranqueable. Basándose en estas ideas, en 1905 Albert Einstein propuso que la velocidad de la luz en el vacío, medida por un observador inercial, esto es, no sometido a aceleración, es independiente del movimiento relativo entre la fuente de la luz y el observador. Así nació la teoría especial de la relatividad, y la velocidad de la luz en el vacío se convirtió en una constante de la naturaleza.

Durante el siglo XX, las medidas cada vez más precisas del valor de la velocidad de la luz llevaron en 1975 a la Conferencia General de Pesas y Medidas (órgano internacional decisorio en materia de metrología) a recomendar para "c" un valor de 299.792.458 m/s, e invitó a la comunidad científica a reflexionar sobre una posible redefinición del metro o del segundo basada en dicho valor. Tres años más tarde, en 1978, Woods, Shotton y Rowley, usando un láser estabilizado de helio-neón, y con la definición en vigor del metro de 1960 (1.650.763,73 longitudes de onda de la línea de emisión naranja-roja del espectro electromagnético del átomo de kriptón-86 en el vacío) obtuvieron un valor para la velocidad de la luz de 299.792,45898 ± 0,0002 km/s; su precisión era ya mayor que la del antiguo metro patrón de platino iridiado. En 1983, la 17ª Conferencia General de Pesas y Medidas decidió cambiar la definición oficial del metro, que desde entonces es "la longitud del trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un intervalo de 1/299.792.458 segundos". La velocidad de la luz es una constante universal, sobre la que se fundan ahora todas las medidas de espacio y de tiempo.