¿Podría estar equivocado lo que consideramos como la velocidad de la luz? » ABC de la ciencia

Consideramos la velocidad bidireccional de la luz como la velocidad de la luz. Nadie ha logrado medir la velocidad de la luz en un solo sentido.

La velocidad de la luz en el vacío es exactamente 299.792.458 metros por segundo. Todos sabemos que esto es un hecho. Estamos universalmente tan seguros de ello que todos estuvieron de acuerdo en definir la unidad de longitud utilizando la velocidad de la luz.

La velocidad de la luz es un buen número entero porque un metro se define como la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1/299792458 de segundo.

299792458 metros por segundo meme

Pero, ¿y si no sabemos si este valor es la velocidad exacta de la luz? ¿Qué pasaría si te dijera que nadie, hasta la fecha, ha medido la velocidad exacta que tarda la luz en ir de un punto a otro?

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Velocidad bidireccional de la luz

Para entrar en este tema, primero debemos entender cómo medimos la velocidad de la luz.

Allá por 1849, Armand Fizeau midió la velocidad de la luz pasando la luz a través de los dientes de un engranaje en movimiento y reflejándola en un espejo. Ahora, lo hacemos con láseres y temporizadores de alta precisión.

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Configuración experimental empleada por Fizeau para medir la velocidad de la luz. (Crédito de la foto: Wikimedia commons)

Necesitamos una fuente de luz, un espejo y un temporizador. Si conocemos la distancia entre la fuente y el espejo, y medimos el tiempo que tarda un rayo o un pulso de luz en reflejarse, entonces podemos calcular fácilmente la velocidad de la luz a partir de ahí.

Aquí no estamos midiendo el tiempo que tarda la luz en ir del punto A al punto B. Estamos midiendo el tiempo que tarda en ir del punto A al punto B y luego volver a reflejarse en el punto B. Es decir, el tiempo que tarda un viaje ida y vuelta. La velocidad de la luz se toma como el promedio de la velocidad de la luz cuando viaja de A a B y su velocidad cuando viaja de B a A.

La velocidad de ida y vuelta de la luz también se denomina velocidad de la luz en los dos sentidos. Esta es la única velocidad de la luz que ha sido medida por alguien hasta la fecha.

Velocidad de la luz unidireccional

La velocidad de la luz en un sentido es la velocidad de la luz en una dirección. Para ello tendríamos que medir la velocidad de la luz del punto A al punto B, no la de ida y vuelta.

Distancia entre los puntos A y B icono de contorno

La velocidad de la luz en un solo sentido es la velocidad de la luz medida cuando viaja de un punto a otro. (Crédito de la foto: Pony3000/Shutterstock)

Mientras no podamos verificar experimentalmente la velocidad unidireccional de la luz, no se sabe cuál podría ser. Sabemos que para un viaje de ida y vuelta la luz viaja con una velocidad constante, c.

La luz podría viajar con una velocidad de A a B y una velocidad diferente de B a A. Siempre que la velocidad promedie c para un viaje de ida y vuelta, no hay otras restricciones en cuanto a lo que podría ser.

¡Incluso podría ser que la luz viajara de A a B con una velocidad de c/2, y viajara instantáneamente de B a A! Simplemente no podríamos notar la diferencia, a menos que pudiéramos medir la velocidad de la luz en un solo sentido.

¿Podemos medir la velocidad unidireccional de la luz?

Podrías estar pensando, ¿por qué nadie ha medido nunca la velocidad de la luz en un solo sentido? Parece bastante simple. Pero el hecho es que cualquier método en el que esté pensando seguramente presentará un problema.

Digamos que ponemos un temporizador en el punto A y otro en el punto B. Podríamos medir el tiempo que tarda la luz en llegar de A a B sincronizando los temporizadores. Pero, ¿cómo nos aseguramos de que los temporizadores estén sincronizados? Cualquier comunicación entre los puntos experimentará un retraso. No podemos ajustar este retraso, ya que será igual a la velocidad de la luz, que es lo que estamos tratando de medir.

Podríamos iniciar los cronómetros juntos en el punto A y luego llevar un cronómetro a B. Pero una mirada a la dilatación del tiempo nos dice que los relojes en movimiento se ralentizan en relación con los observadores estacionarios. Entonces, para cuando el temporizador llegue a B, no estará sincronizado con A. Cualquier otro método que se te ocurra probablemente tendrá problemas similares.

Cronómetro en la mano de una mujer.  De cerca

Los temporizadores en dos puntos no se pueden sincronizar sin conocer la velocidad de la luz o estar seguros de que la velocidad de la luz es la misma en ambas direcciones, ¡que es lo que estaríamos tratando de determinar! (Crédito de la foto: veinte20)

Más allá de esto, ha habido varias teorías y estudios que investigan cómo se podría medir la velocidad de la luz en un sentido. Pero nadie lo ha hecho hasta ahora.

Convención de sincronización de Einstein

Si no estamos seguros de la velocidad de la luz en un solo sentido, ¿por qué todos acordamos tomar la velocidad de la luz como constante? Bueno, principalmente, porque Einstein lo dijo.

La relatividad especial de Einstein se basa en el postulado de que la velocidad de la luz es isótropa, es decir, es la misma para todos los observadores. Vemos que la velocidad de la luz es una constante en la ecuación más famosa de todos los tiempos.

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La velocidad de la luz se toma como una constante en la relatividad especial. (Crédito de la foto: MaxPixel)

En su artículo Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento, Einstein establece la convención para sincronizar relojes. Él define que el tiempo que tarda la luz en viajar de A a B es igual al tiempo que tarda la luz en viajar de B a A. No se verifica experimentalmente, pero se supone que la velocidad de la luz es la misma en todas las direcciones.

Velocidad de la luz de A a B meme

¿La velocidad de la luz es anisotrópica?

Consideramos que la velocidad de la luz en los dos sentidos es la velocidad de la luz porque seguimos la convención de que la luz viaja con la misma velocidad en todas las direcciones. Esto puede parecer lógico. Después de todo, ¿por qué la velocidad de la luz no sería la misma en todas las direcciones? Tantas cosas en el universo son simétricas por naturaleza.

Sin embargo, no es un hecho comprobado experimentalmente. Es una convención. También hay cosas en la naturaleza que son inexplicablemente asimétricas. La velocidad de la luz podría ser una de esas cosas. Simplemente no sabemos si la velocidad de la luz es isotrópica o anisotrópica.

luz laser

¿Podría la velocidad de la luz ser anisotrópica, ser diferente en diferentes direcciones? (Crédito de la imagen: Pixabay)

Una convención inofensiva

Lo que conocemos como la velocidad de la luz es la velocidad bidireccional de la luz. Lo tomamos como la velocidad de la luz debido a una convención. La velocidad unidireccional de la luz nunca se ha medido. Entonces, ¿cuáles son las implicaciones, si la velocidad de la luz es, de hecho, diferente para diferentes direcciones?

Aquí está lo extraño de la velocidad de la luz en un solo sentido. Incluso si la luz viaja a diferentes velocidades en direcciones opuestas, no cambia muchas cosas. No cambia ninguna de las cosas que dependen de que la velocidad de la luz sea una constante.

Mientras la velocidad de ida y vuelta de la luz permanezca constante, la física está satisfecha. No se rompen las ecuaciones. Ninguna teoría se complica. El mismo Einstein lo reconoció al formular la convención para la isotropía de la velocidad de la luz. Incluso en modelos cosmológicos, la anisotropía de la luz no causaría ninguna variación observable.

Esto difícilmente significa que los estudios que exploran la velocidad unidireccional de la luz no tengan sentido. Simplemente significa que no tires tu libro de texto de física al fuego porque descubriste que nadie sabe cuál es la velocidad de la luz en un solo sentido.