Cómo se midió por primera vez la velocidad de la luz

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La velocidad de la luz en el vacío es de «exactamente 299.792.458 metros por segundo». La razón por la que hoy podemos ponerle una cifra exacta es porque la velocidad de la luz en el vacío es una constante universal que se ha medido con láseres; y cuando un experimento involucra láseres, es difícil discutir los resultados. En cuanto a por qué aparece de manera algo llamativa como un número entero, esto no es una coincidencia: la longitud del metro se define utilizando esta constante: “la longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1 / 299,792,458 de segundo»

En la antigüedad, en general, se pensaba o al menos se asumía que la velocidad de la luz era infinita, cuando en realidad es realmente muy rápida; como referencia, la velocidad de la luz es solo un poco más lenta que la más rápida, algo en el universo conocido: el tiempo de respuesta de una adolescente si Justin Bieber dijera en Twitter: «La primera en responder a este tweet será mi nueva novia».

La primera persona conocida que cuestionó todo el asunto de la “velocidad de la luz es infinita” fue Empédocles, filósofo del siglo V a.C. Menos de un siglo después, Aristóteles no estuvo de acuerdo con Empédocles y la «discrepancia» continuó durante más de 2000 años después.

Una de las primeras personas en realizar un experimento tangible para probar si la luz tenía velocidad fininta fue el científico holandés Isaac Beeckman en 1629. A pesar de vivir en una época anterior a los láseres, lo que produce asombro, Beeckman entendió que a falta de láseres, la base de cualquier buen experimento científico debería incluir siempre explosiones de algún tipo; por tanto, su experimento implicó la detonación de pólvora.

Beeckman colocó espejos a diferentes distancias de la explosión y preguntó a los observadores si podían ver alguna diferencia en el momento en que el destello de luz reflejado de cada espejo llegaba a sus ojos. Como probablemente puedes adivinar, el experimento no fue «concluyente».Un experimento similar más famoso sin explosiones de por medio fue posiblemente realizado o al menos propuesto por Galileo Galilei poco menos de una década después,  en 1638. Galileo, como Beeckman, también sospechaba que la velocidad de la luz no era infinita e hizo referencias pasajeras a un experimento con linternas en algunos de sus trabajos. Su experimento (si es que lo llevó a cabo alguna vez) consistió en colocar dos linternas a una kilómetro de distancia y tratar de ver si había algún desfase notable entre las dos; los resultados no fueron concluyentes. Lo único que Galileo pudo suponer fue que si la luz no era infinita, era rápida y que los experimentos a tan pequeña escala estaban destinados al fracaso.

No fue hasta que el astrónomo danés Ole Römer entró en la refriega cuando las mediciones de la velocidad de la luz se volvieron serias. En un experimento que hizo que las linternas de Galileo en una colina parecieran un proyecto de feria de ciencias de la escuela primaria, Römer determinó que, sin láseres ni explosiones, un experimento siempre debería involucrar el espacio exterior. Por lo tanto, basó sus observaciones en el movimiento de los planetas mismos, y anunció sus innovadores resultados el 22 de agosto de 1676.

Concretamente, mientras estudiaba una de las lunas de Júpiter, Römer notó que el tiempo entre eclipses variaba a lo largo del año (según si la Tierra se estaba «moviendo» hacia Júpiter o alejándose). Intrigado por esto, Römer comenzó a tomar notas cuidadosas sobre la hora en que Io (la luna que estaba observando) apareciera y cómo se correlacionaba con la hora a la que normalmente se esperaba. Después de un tiempo, Römer notó que a medida que la Tierra orbitaba alrededor del sol y, a su vez, se alejaba más de Júpiter, el tiempo en que Io aparecería a la vista se retrasaba con respecto al tiempo esperado anotado en sus cuadernos. Römer (correctamente) teorizó que esto se debía a que la luz reflejada por Io no viajaba instantáneamente.

Desafortunadamente, los cálculos exactos que usó se perdieron en el incendio de Copenhague de 1728, pero tenemos un relato bastante bueno de sus experimentos y descubrimiento ya que de otros científicos de esa época usaron los números de Römer en sus propios trabajos. La esencia de esto fue que, utilizando un montón de cálculos inteligentes que involucraban las distancias de las órbitas de la Tierra y Júpiter, Römer pudo concluir que la luz tardaba alrededor de 22 minutos en cruzar la distancia de la órbita de la Tierra alrededor del Sol. Christiaan Huygens luego convirtió esto en números más exactos aunque todavía erróneos, mostrando que, según la estimación de Römer, la luz viajaba a unos 220.000 kilómetros por segundo. Esta cifra se aleja un poco (aproximadamente un 27% menos) de la velocidad real, pero llegaremos a eso en un momento.

Cuando los colegas de Römer expresaron casi universalmente dudas sobre su teoría sobre Io, Römer respondió con calma diciéndoles que el eclipse del 9 de noviembre de 1676 de Io iba a llegar 10 minutos tarde. Cuando llegó el momento, los que dudaban se quedaron atónitos cuando el movimiento de todo un cuerpo celeste dio crédito a su conclusión.

Los colegas de Römer tenían razón al estar asombrados en su estimación, ya que incluso hoy en día, su estimación de la velocidad de la luz se considera increíblemente precisa, considerando que se hizo 300 años antes de la existencia de los láseres e Internet. De acuerdo, era demasiado lento los 80.000 kilómetros por segundo calculados por él, pero dado el estado de la ciencia y la tecnología en ese momento, eso es impresionante, sobre todo teniendo en cuenta que, para empezar, estaba trabajando principalmente con una corazonada.

Lo que es aún más sorprendente es que se cree que la razón por la que la estimación de Römer es demasiado lenta tiene menos que ver con un error de su parte y más con el hecho de que la distancia comúnmente aceptada de las órbitas de la Tierra y Júpiter era incorrecta cuando Römer hizo sus cálculos. Es decir, Römer solo se equivocó porque otras personas no eran tan geniales en ciencias como él. De hecho, si usamos los números de órbitas correctos en lo que se cree que son sus cálculos originales antes de que sus documentos fueran destruidos en el incendio mencionado anteriormente, su estimación es casi acertada.

A pesar de que estaba técnicamente equivocado y a pesar de que James Bradley encontró un número más preciso en 1729, Römer pasará a la historia como la persona que demostró por primera vez que la velocidad de la luz no era infinita y nos mostró ​​una cifra aproximada razonablemente precisa sobre cuál era la velocidad al observar los movimientos de una «mota» que orbita una bola de gas gigante colocada a unos 780 millones de kilómetros de distancia. Así, señoras y señores, es cómo se hace Ciencia.

(*) DATOS ADICIONALES

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La energía requerida para detener la órbita de la Tierra alrededor del Sol es de aproximadamente 2.6478 × 10 ^ 33 julios o 7.3551 × 10 ^ 29 vatios hora o 6.3285 * 10 ^ 17 megatones de TNT. Como referencia, la explosión nuclear más grande jamás detonada (la Bomba Zar de la Unión Soviética) «solo» produjo 50 megatones de TNT de energía. Por lo tanto, se necesitarían alrededor de 12,657,000,000,000,000 de esas bombas nucleares detonadas en la ubicación correcta para evitar que la Tierra orbite alrededor del sol.

Aparte del debate sobre si la velocidad de la luz era infinita o no, un debate paralelo común a lo largo de la historia fue si la luz se originaba o no en nuestro ojo mismo o en otra cosa. Entre los científicos famosos que creyeron en la teoría de la «luz emitida por el ojo» estaban Ptolomeo y Euclides. La mayoría de los que pensaban que esta teoría era correcta también pensaban que la velocidad de la luz debía ser infinita, porque en el instante en que abrimos los ojos podemos ver una gran cantidad de estrellas en el cielo nocturno y ese número no aumenta cuanto más miramos, a menos que, por supuesto, anteriormente estuviésemos mirando una luz brillante y nuestros ojos se estuvieran ajustando a la oscuridad.