la luz solar requerida en promedio [Ed. 1] 8 minutos 17 segundos para llegar a la Tierra | |
valores exactos | |
---|---|
metros por segundo | 299 792 458 |
unidades de Planck | una |
valores aproximados | |
kilómetros por segundo | 300 000 |
Kilómetros por hora | 1.08 mil millones |
unidades astronómicas por día | 173 |
tiempo de viaje aproximado de la luz de señal | |
distancia | tiempo |
un metro | 3,3 ns |
un kilómetro | 3,3 µs |
de la órbita geoestacionaria a la Tierra | 119 ms |
longitud del ecuador terrestre | 134ms |
de la luna a la tierra | 1.255 s |
del Sol a la Tierra (1 UA ) | 8,3 minutos |
Voyager 1 a la Tierra | 21 horas 49 minutos (a septiembre de 2022) [1] |
un año luz | 1 año |
un parsec | 3,26 años |
de Próxima Centauri a la Tierra | 4,24 años |
de Alfa Centauro a la Tierra | 4,37 años |
desde la galaxia más cercana (galaxia enana en Canis Major ) a la Tierra | 25.000 años |
a través de la vía láctea | 100.000 años |
de la galaxia de Andrómeda a la Tierra | 2,5 Ma |
desde la galaxia más lejana conocida hasta la Tierra | 13,4 calibre [2] |
La velocidad de la luz en el vacío [Aprox. 2] es el valor absoluto de la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas , exactamente igual a 299.792.458 m/s (o aproximadamente 3×10 8 m/s). En física , se denota tradicionalmente con la letra latina " " (pronunciada "tse"), del lat. celeritas (velocidad).
La velocidad de la luz en el vacío es una constante fundamental , independiente de la elección del sistema de referencia inercial (ISO) . Se refiere a las constantes físicas fundamentales que caracterizan no solo cuerpos o campos individuales, sino las propiedades de la geometría del espacio-tiempo como un todo [3] . Del postulado de causalidad (cualquier evento solo puede afectar eventos que ocurren después de él, y no puede afectar eventos que ocurrieron antes de él [4] [5] [6] ) y el postulado de la teoría especial de la relatividad sobre la independencia de la velocidad de la luz en el vacío a partir de la elección del marco de referencia inercial (la velocidad de la luz en el vacío es la misma en todos los sistemas de coordenadas que se mueven de manera rectilínea y uniforme entre sí [7] ), se deduce que la velocidad de cualquier señal y partícula elemental no puede exceder la velocidad de la luz [8] [9] [6] . Así, la velocidad de la luz en el vacío es la velocidad límite de las partículas y la propagación de las interacciones.
La medida más precisa de la velocidad de la luz, 299.792.458 ± 1,2 m / s , basada en un metro de referencia , se realizó en 1975 [Nota. 3] .
Por el momento, se cree que la velocidad de la luz en el vacío es una constante física fundamental , por definición, exactamente igual a 299.792.458 m/s , o 1.079.252.848,8 km/h . La precisión del valor se debe a que desde 1983, el metro en el Sistema Internacional de Unidades (SI) se define como la distancia que recorre la luz en el vacío en un intervalo de tiempo igual a 1/299.792.458 segundos [11] .
En el sistema de unidades de Planck , la velocidad de la luz en el vacío es 1. Podemos decir que la luz viaja 1 longitud de Planck en el tiempo de Planck , pero en el sistema de unidades de Planck, la velocidad de la luz es la unidad básica, y las unidades de tiempo y distancia son derivadas (a diferencia del SI , donde las principales son el metro y las segundas ).
En la naturaleza, a la velocidad de la luz, se propagan (en el vacío):
Las partículas masivas pueden tener una velocidad muy cercana a la velocidad de la luz [Nota. 4] , pero aún no lo alcanza exactamente. Por ejemplo, la velocidad cercana a la luz, solo 3 m/s menos que la velocidad de la luz, tiene partículas masivas ( protones ) obtenidas en el acelerador ( Large Hadron Collider ) o incluidas en los rayos cósmicos .
En la física moderna, la afirmación de que un efecto causal no puede transferirse a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en el vacío (incluso a través de la transferencia de tal efecto por algún cuerpo físico) se considera bien fundada. Sin embargo, existe el problema de los " estados entrelazados " de las partículas, que parecen "conocer" el estado de las demás al instante . Sin embargo, en este caso, la transmisión de información superlumínica no ocurre , ya que para transmitir información de esta manera, es necesario involucrar un canal de transmisión clásico adicional a la velocidad de la luz [Nota. 5] .
Aunque, en principio, el movimiento de algunos objetos a una velocidad mayor que la velocidad de la luz en el vacío es bastante posible, sin embargo, desde un punto de vista moderno, estos solo pueden ser objetos que no pueden usarse para transferir información con su movimiento. (por ejemplo, un rayo de sol en principio, puede moverse a lo largo de la pared a una velocidad mayor que la velocidad de la luz, pero no puede usarse para transferir información a tal velocidad de un punto de la pared a otro) [13] .
La velocidad de la luz en un medio transparente es la velocidad a la que viaja la luz en un medio que no sea el vacío . En un medio con dispersión se distinguen velocidad de fase y de grupo .
La velocidad de fase relaciona la frecuencia y la longitud de onda de la luz monocromática en un medio ( ). Esta velocidad suele ser (pero no necesariamente) inferior a . La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de fase de la luz en un medio se denomina índice de refracción del medio. Si la frecuencia angular de una onda en un medio depende del número de onda de forma no lineal, entonces la velocidad de grupo es igual a la primera derivada , en contraste con la velocidad de fase . [catorce]
La velocidad de grupo de la luz se define como la velocidad de propagación de los latidos entre dos ondas con una frecuencia similar y en un medio en equilibrio es siempre menor . Sin embargo, en medios que no están en equilibrio, por ejemplo, medios fuertemente absorbentes, puede exceder . En este caso, sin embargo, el borde de ataque del pulso todavía se mueve a una velocidad que no excede la velocidad de la luz en el vacío. Como resultado, la transmisión superlumínica de información sigue siendo imposible.
Armand Hippolyte Louis Fizeau demostró por experiencia que el movimiento de un medio relativo a un haz de luz también puede afectar la velocidad de propagación de la luz en este medio.
Ecuaciones de Maxwell en forma diferencial:
- vector de fuerza de campo eléctrico
- vector de fuerza de campo magnético
- vector de inducción magnética
- inducción eléctrica vectorial
- permeabilidad magnética
- constante magnética
- permeabilidad eléctrica
- constante electrica
- densidad actual
- cargar densidad
- rotor , operador diferencial,
- divergencia , operador diferencial,
es el operador de Laplace, ,
Para una onda electromagnética , , por lo tanto:
Según la propiedad del campo vectorial rotacional . Sustituyendo aquí y , obtenemos:
sustituimos aquí de las ecuaciones de Maxwell , obtenemos:
[3] (1)
Ecuación de onda:
, donde está el operador de d'Alembert ,
(2)
Sustituimos (1) en (2) , encontramos la velocidad:
s A /m kg
kg m/s A
en un vacío ,
milisegundo
La velocidad con la que se propagan las ondas de luz en el vacío no depende del movimiento de la fuente de ondas, ni del marco de referencia del observador [Nota. 6] . Einstein postuló tal invariancia de la velocidad de la luz en 1905 [15] . Llegó a esta conclusión sobre la base de la teoría del electromagnetismo de Maxwell y la prueba de la ausencia de un éter luminífero [16] .
La invariancia de la velocidad de la luz es invariablemente confirmada por muchos experimentos [17] . Sólo es posible comprobar experimentalmente que la velocidad de la luz en un experimento "bilateral" (por ejemplo, de una fuente a un espejo y viceversa) no depende del marco de referencia, ya que es imposible medir la velocidad de la luz en una dirección (por ejemplo, de una fuente a un receptor remoto) sin acuerdos adicionales sobre cómo sincronizar los relojes de la fuente y el receptor. Sin embargo, si usamos la sincronización de Einstein para esto, la velocidad de la luz en un sentido se vuelve igual a la velocidad en ambos sentidos por definición [18] [19] .
La relatividad especial explora las consecuencias de la invariancia bajo el supuesto de que las leyes de la física son las mismas en todos los marcos de referencia inerciales [20] [21] . Una de las consecuencias es que : esta es la velocidad con la que todas las partículas y ondas sin masa (en particular, la luz) deben moverse en el vacío.
La relatividad especial tiene muchas implicaciones verificadas experimentalmente que son contrarias a la intuición [22] . Tales consecuencias incluyen: equivalencia masa-energía , contracción de longitud (encogimiento de objetos a medida que se mueven) [Nota. 7] y la dilatación del tiempo (los relojes en movimiento corren más lento). El coeficiente que muestra cuántas veces se acorta la longitud y se ralentiza el tiempo se conoce como factor de Lorentz ( factor de Lorentz)
donde es la velocidad del objeto. Para velocidades mucho menores que (por ejemplo, para las velocidades con las que tratamos en la vida cotidiana), la diferencia entre y 1 es tan pequeña que puede despreciarse. En este caso, la relatividad especial se aproxima bien a la relatividad galileana. Pero a velocidades relativistas, la diferencia aumenta y tiende al infinito al aproximarse a .
La combinación de los resultados de la relatividad especial requiere que se cumplan dos condiciones: (1) el espacio y el tiempo son una sola estructura conocida como espaciotiempo (donde vinculan las unidades de espacio y tiempo), y (2) las leyes físicas satisfacen los requisitos de una estructura especial. simetría llamada invariancia de Lorentz (invarianza de Lorentz), cuya fórmula contiene el parámetro [25] . La invariancia de Lorentz es omnipresente en las teorías físicas modernas, como la electrodinámica cuántica , la cromodinámica cuántica , el modelo estándar de la física de partículas y la relatividad general . Por lo tanto, el parámetro se encuentra en toda la física moderna y aparece de muchas maneras que no tienen nada que ver con la luz misma. Por ejemplo, la relatividad general sugiere que la gravedad y las ondas gravitatorias se propagan a velocidades [26] [27] . En los marcos de referencia no inerciales (en el espacio curvado gravitacionalmente o en los marcos de referencia que se mueven con aceleración), la velocidad local de la luz también es constante e igual a , pero la velocidad de la luz a lo largo de una trayectoria de longitud finita puede diferir dependiendo de cómo el espacio y el tiempo están definidos [28 ] .
Se considera que las constantes fundamentales, como , tienen el mismo valor en todo el espacio-tiempo, es decir, no dependen del lugar y no cambian con el tiempo. Sin embargo, algunas teorías sugieren que la velocidad de la luz puede cambiar con el tiempo [29] [30] . Hasta el momento, no hay pruebas concluyentes de tales cambios, pero siguen siendo objeto de investigación [31] [32] .
Además, se cree que la velocidad de la luz es isotrópica, es decir, no depende de la dirección de su propagación. Las observaciones de la emisión de transiciones de energía nuclear en función de la orientación de los núcleos en un campo magnético (el experimento de Googs-Drever), así como de las cavidades ópticas giratorias ( el experimento de Michelson-Morley y sus nuevas variaciones), han impuesto severas Restricciones a la posibilidad de anisotropía bilateral [33] [34] .
En varios sistemas naturales de unidades , la velocidad de la luz es una unidad de medida de la velocidad [35] . En el sistema de unidades de Planck, también relacionado con los sistemas naturales, sirve como unidad de velocidad y es una de las unidades básicas del sistema.
Según la teoría especial de la relatividad, la energía de un objeto con masa en reposo y velocidad es , donde es el factor de Lorentz definido anteriormente. Cuando es igual a cero, es igual a uno, lo que lleva a la conocida fórmula de equivalencia de masa y energía . Dado que el factor se acerca al infinito a medida que se acerca a , acelerar un objeto masivo a la velocidad de la luz requeriría una energía infinita. La velocidad de la luz es el límite superior de velocidad para objetos con masa en reposo distinta de cero. Esto se ha establecido experimentalmente en muchas pruebas relativistas de energía y cantidad de movimiento [36] .
En general, la información o la energía no se pueden transmitir a través del espacio más rápido que la velocidad de la luz. Un argumento para esto se deriva de la conclusión contraria a la intuición de la relatividad especial conocida como la relatividad de la simultaneidad . Si la distancia espacial entre dos eventos A y B es mayor que el intervalo de tiempo entre ellos, multiplicado por , entonces hay marcos de referencia en los que A precede a B, y otros en los que B precede a A, y también aquellos en los que los eventos A y B son simultáneos. Como resultado, si un objeto se moviera más rápido que la velocidad de la luz en relación con algún marco de referencia inercial, entonces, en un marco de referencia diferente, viajaría hacia atrás en el tiempo y se violaría el principio de causalidad [Nota. 8] [38] . En tal marco de referencia, el "efecto" podría observarse antes que su "causa original". Nunca se ha observado tal violación de la causalidad [19] . También puede dar lugar a paradojas como la del anticuerpo taquiónico [39] .
Los científicos antiguos, con raras excepciones, consideraban que la velocidad de la luz era infinita [40] . En los tiempos modernos, este tema se convirtió en tema de discusión. Galileo y Hooke asumieron que era finita, aunque muy grande, mientras que Kepler , Descartes y Fermat todavía defendían la infinidad de la velocidad de la luz.
La primera estimación de la velocidad de la luz fue realizada por Olaf Römer ( 1676 ). Se dio cuenta de que cuando la Tierra está más lejos de Júpiter en su órbita , los eclipses de Júpiter de la luna Io de Júpiter se retrasan 22 minutos en comparación con los cálculos . De esto derivó un valor para la velocidad de la luz de unos 220.000 km/s , un valor inexacto, pero cercano al valor real. En 1676 hizo un informe a la Academia de París, pero no publicó sus resultados en un artículo científico formal. Por lo tanto, la comunidad científica aceptó la idea de la velocidad finita de la luz solo medio siglo después [41] , cuando en 1728 el descubrimiento de la aberración permitió a J. Bradley confirmar la finitud de la velocidad de la luz y refinar su estimación. El valor obtenido por Bradley fue de 308.000 km/s [42] [43] .
Por primera vez, las mediciones de la velocidad de la luz, basadas en la determinación del tiempo que tarda la luz en recorrer una distancia medida con precisión en condiciones terrestres, fueron realizadas en 1849 por A. I. L. Fizeau . En sus experimentos, Fizeau utilizó el "método de interrupción" desarrollado por él, mientras que la distancia recorrida por la luz en los experimentos de Fizeau fue de 8,63 km . El valor obtenido como resultado de las mediciones realizadas resultó ser de 313.300 km/s. Posteriormente, el método de interrupción se mejoró significativamente y fue utilizado para mediciones por M. A. Cornu (1876), A. J. Perrotin (1902) y E. Bergstrand . Las mediciones realizadas por E. Bergstrand en 1950 dieron un valor de 299 793,1 km/s para la velocidad de la luz , mientras que la precisión de la medición se incrementó a 0,25 km/s [42] .
Otro método de laboratorio ("método del espejo giratorio"), cuya idea fue expresada en 1838 por F. Arago , fue llevada a cabo en 1862 por Leon Foucault . Midiendo cortos intervalos de tiempo con la ayuda de un espejo que giraba a gran velocidad ( 512 rpm ), obtuvo el valor de 298.000 km/s para la velocidad de la luz con un error de 500 km/s. La longitud de la base en los experimentos de Foucault era relativamente pequeña: veinte metros [43] [42] [44] [45] [46] . Posteriormente, debido a la mejora de la técnica experimental, un aumento en la base utilizada y una determinación más precisa de su longitud, la precisión de las mediciones utilizando el método del espejo giratorio aumentó significativamente. Así, S. Newcomb en 1891 obtuvo el valor 299 810 km/s con un error de 50 km/s , y A. A. Michelson en 1926 logró reducir el error a 4 km/s y obtener un valor de 299 796 km/s para la velocidad . En sus experimentos, Michelson utilizó una base igual a 35.373,21 m [42] .
Un mayor progreso se asoció con el advenimiento de los másers y los láseres , que se distinguen por una estabilidad de frecuencia de radiación muy alta, lo que hizo posible determinar la velocidad de la luz midiendo simultáneamente la longitud de onda y la frecuencia de su radiación. A principios de la década de 1970, el error al medir la velocidad de la luz se acercó a 1 m/s [47] . Después de comprobar y consensuar los resultados obtenidos en varios laboratorios, la XV Conferencia General de Pesos y Medidas en 1975 recomendó utilizar un valor igual a 299 792 458 m/s como valor de la velocidad de la luz en el vacío , con un error relativo ( incertidumbre) 4⋅10 - 9 [48] , que corresponde a un error absoluto de 1,2 m/s [49] .
Es significativo que un mayor aumento en la precisión de las medidas se hizo imposible debido a circunstancias de carácter fundamental: el factor limitante era la magnitud de la incertidumbre en la implementación de la definición de un metro que estaba en vigor en ese momento. En pocas palabras, la principal contribución al error de medición de la velocidad de la luz fue el error de "fabricación" del patrón del metro, cuyo valor relativo era 4⋅10 -9 [49] . En base a esto, y teniendo en cuenta también otras consideraciones, la XVII Conferencia General de Pesos y Medidas de 1983 adoptó una nueva definición del metro, partiendo del valor previamente recomendado de la velocidad de la luz y definiendo el metro como la distancia que recorre la luz. viaja en el vacío en un período de tiempo igual a 1/299 792 458 segundos [50] .
De la teoría de la relatividad especial se deduce que el exceso de la velocidad de la luz por partículas físicas (masivas o sin masa) violaría el principio de causalidad - en algunos marcos de referencia inerciales, sería posible transmitir señales del futuro al pasado. Sin embargo, la teoría no descarta que las partículas hipotéticas que no interactúan con las partículas ordinarias [51] se muevan en el espacio-tiempo con velocidad superlumínica.
Las partículas hipotéticas que se mueven a velocidades superlumínicas se denominan taquiones . Matemáticamente, el movimiento de los taquiones se describe mediante transformaciones de Lorentz como el movimiento de partículas con una masa imaginaria. Cuanto mayor es la velocidad de estas partículas, menos energía transportan, y viceversa, cuanto más cerca está su velocidad de la velocidad de la luz, mayor es su energía; al igual que la energía de las partículas ordinarias, la energía de los taquiones tiende al infinito cuando acercándose a la velocidad de la luz. Esta es la consecuencia más obvia de la transformación de Lorentz, que no permite que una partícula masiva (tanto con masa real como imaginaria) alcance la velocidad de la luz; es simplemente imposible darle a la partícula una cantidad infinita de energía.
Debe entenderse que, en primer lugar, los taquiones son una clase de partículas, y no solo un tipo de partículas, y en segundo lugar, los taquiones no violan el principio de causalidad si no interactúan con las partículas ordinarias de ninguna manera [51] .
Las partículas ordinarias que se mueven más lentamente que la luz se llaman tardiones . Los tardiones no pueden alcanzar la velocidad de la luz, sino que solo pueden acercarse a ella tanto como quieran, ya que en este caso su energía se vuelve infinitamente grande. Todos los tardiones tienen masa , a diferencia de las partículas sin masa llamadas luxones . Los luxones en el vacío siempre se mueven a la velocidad de la luz, estos incluyen fotones , gluones e hipotéticos gravitones .
Desde 2006 se ha demostrado que en el llamado efecto de teletransporte cuántico , la aparente interacción de partículas se propaga más rápido que la velocidad de la luz. Por ejemplo, en 2008, el equipo de investigación del Dr. Nicolas Gisin de la Universidad de Ginebra, estudiando estados de fotones entrelazados separados por 18 km en el espacio, demostró que esta aparente “interacción entre partículas se lleva a cabo a una velocidad de alrededor de cien mil veces la velocidad Sveta". Previamente, también se discutió la llamada “ paradoja de Hartman ” - la aparente velocidad superlumínica en el efecto túnel [52] . Un análisis de estos y otros resultados similares muestra que no se pueden utilizar para la transmisión superlumínica de ningún mensaje que transporte información o para mover materia [53] .
Como resultado del procesamiento de los datos del experimento OPERA [54] , recopilados entre 2008 y 2011 en el laboratorio Gran Sasso junto con el CERN , se registró una indicación estadísticamente significativa del exceso de la velocidad de la luz por parte de los neutrinos muónicos [55] . Este anuncio fue acompañado por la publicación en el archivo de preimpresión [56] . Los resultados obtenidos fueron cuestionados por los especialistas, ya que no son consistentes no solo con la teoría de la relatividad, sino también con otros experimentos con neutrinos [57] . En marzo de 2012, se realizaron mediciones independientes en el mismo túnel, y no encontraron velocidades superlumínicas de neutrinos [58] . En mayo de 2012, OPERA llevó a cabo una serie de experimentos de control y llegó a la conclusión final de que la razón de la suposición errónea sobre la velocidad superlumínica era un defecto técnico (conector de cable óptico mal insertado) [59] .
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