Mientras consideramos que la velocidad de la luz es la velocidad de ida y vuelta, no ha habido una medición exitosa de la velocidad de ida de la luz.
La velocidad de la luz aceptada universalmente en el vacío es exactamente 299,792,458 metros por segundo. Este es un hecho ampliamente conocido. De hecho, este valor es tan cierto que se ha utilizado para definir una unidad crítica de longitud en el universo.
La razón por la cual la velocidad de la luz es un número entero es porque un metro se define como la distancia recorrida por la luz en el vacío en 1/299792458 de segundo.
Sin embargo, ¿qué pasa si no podemos estar completamente seguros de que este valor es la velocidad precisa de la luz? ¿Qué pasaría si te informara que, hasta ahora, nadie ha podido medir la velocidad exacta a la cual la luz viaja de un punto a otro?
Medición de la velocidad de ida y vuelta de la luz
Para adentrarnos en este tema, primero necesitamos entender cómo medimos la velocidad de la luz.
En 1849, Armand Fizeau midió la velocidad de la luz pasándola a través de los dientes de una rueda en movimiento y reflejándola de vuelta con un espejo. Hoy en día, utilizamos láseres y cronómetros de alta precisión para nuestras mediciones.
Configuración experimental utilizada por Fizeau para medir la velocidad de la luz. (Crédito de la foto: Wikimedia commons)
Esencialmente, necesitamos una fuente de luz, un espejo y un cronómetro. Si conocemos la distancia entre la fuente y el espejo, y medimos el tiempo que tarda en reflejarse un rayo o pulso de luz, podemos calcular fácilmente la velocidad de la luz.
Sin embargo, en este caso, no estamos midiendo el tiempo que tarda la luz en viajar de un punto A a un punto B. Estamos midiendo el tiempo que tarda la luz en viajar de un punto A a un punto B y luego reflejarse de vuelta al punto A. En otras palabras, nuestras mediciones se basan en el tiempo que tarda en hacer un viaje de ida y vuelta. La velocidad de la luz aceptada es un promedio de la velocidad a la que viaja de A a B y la velocidad a la que viaja de B a A.
La velocidad de ida y vuelta de la luz también se conoce como la velocidad de la luz en dos direcciones. Esta es la única velocidad de la luz que ha sido medida hasta la fecha.
¿Y la velocidad de la luz en una sola dirección?
La velocidad de la luz en una sola dirección se refiere a la velocidad de la luz de un punto A a un punto B, sin considerar el viaje de vuelta.
La velocidad de la luz en una sola dirección es la velocidad a la que la luz viaja de un punto a otro. (Crédito de la foto: Pony3000/Shutterstock)
Hasta que podamos verificar experimentalmente la velocidad de la luz en una sola dirección, no podemos determinar su valor real. Sabemos que, para un viaje de ida y vuelta, la luz viaja a una velocidad constante, denotada como c.
Sin embargo, existe la posibilidad de que la luz pueda viajar a una velocidad de A a B y luego a una velocidad diferente de B a A, siempre y cuando la velocidad promedio para el viaje de ida y vuelta sea c. No hay otras limitaciones sobre cuál podría ser la situación real.
Es posible que la luz pueda viajar de A a B a una velocidad de c/2 y luego viajar instantáneamente de B a A. La única forma de distinguir entre los dos escenarios sería medir la velocidad de la luz en una dirección.
¿Es posible medir la velocidad de la luz en una dirección?
Uno podría preguntarse por qué nunca se ha medido la velocidad de la luz en una dirección. Puede parecer una tarea sencilla, pero en realidad, cualquier método utilizado para medirla enfrentaría desafíos.
Por ejemplo, supongamos que colocamos un cronómetro en el punto A y otro en el punto B. Podríamos medir el tiempo que tarda la luz en viajar de A a B sincronizando los cronómetros, pero ¿cómo aseguramos que los cronómetros estén sincronizados? Cualquier comunicación entre los puntos experimentará un retraso, y no podemos tener en cuenta este retraso porque es igual a la velocidad de la luz, ¡que es lo que estamos tratando de medir!
Podríamos iniciar los cronómetros simultáneamente en el punto A y luego llevar uno al punto B. Sin embargo, de acuerdo con la dilatación del tiempo, los relojes en movimiento se ralentizan en relación a los observadores estacionarios. Para cuando el cronómetro llegue al punto B, estará fuera de sincronización con el cronómetro en el punto A. Cualquier otro método probablemente encontraría problemas similares.
Sin conocer la velocidad de la luz o estar seguros de que la velocidad de la luz es la misma en ambas direcciones, es imposible sincronizar cronómetros en dos puntos, ¡que es lo que un experimento para medir la velocidad de la luz en una dirección intentaría hacer! (Crédito de la foto: twenty20)
Además de estos desafíos, ha habido numerosas teorías e investigaciones que han intentado medir la velocidad de la luz en una dirección, pero nadie ha tenido éxito hasta ahora.
La Convención de Sincronización de Einstein
Si no estamos seguros de la velocidad de la luz en una dirección, ¿por qué la comunidad científica acordó unánimemente considerar la velocidad de la luz como constante? La razón principal es porque Einstein lo dijo.
La teoría de la relatividad especial de Einstein se basa en el postulado de que la velocidad de la luz es isotrópica, es decir, es la misma para todos los observadores. La velocidad de la luz se trata como una constante en la ecuación más famosa de todos los tiempos.
La velocidad constante de la luz es un principio fundamental en la relatividad especial. (Crédito de la foto: MaxPixel)
En su artículo «Sobre la electrodinámica de los cuerpos en movimiento», Einstein estableció la convención para sincronizar relojes. Propuso 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. Aunque esta suposición no ha sido verificada experimentalmente, se asume que la velocidad de la luz es la misma en todas las direcciones.
¿Es la velocidad de la luz anisotrópica?
Consideramos la velocidad de la luz en ambas direcciones como la velocidad definitiva de la luz porque seguimos la convención de que la luz viaja a la misma velocidad en todas las direcciones. Esto puede parecer lógico, ya que muchas cosas en el universo exhiben una simetría natural.
Aún así, no es un hecho científicamente confirmado, solo una tradición ampliamente reconocida. También existen fenómenos en el mundo natural que son inexplicablemente asimétricos. La velocidad de la luz puede caer en esta categoría. No tenemos conocimiento sobre si la velocidad de la luz es uniforme en todas las direcciones o no.
¿Es posible que la velocidad de la luz sea anisotrópica, es decir, que varíe en diferentes direcciones? (Crédito de la imagen: Pixabay)
Una Convención sin Consecuencias
La velocidad de la luz con la que estamos familiarizados es en realidad la velocidad de la luz de ida y vuelta. Hemos aceptado esto como la velocidad de la luz debido a una convención que se ha acordado. Sin embargo, la velocidad de la luz de ida nunca se ha medido. Entonces, ¿qué pasaría si la velocidad de la luz fuera diferente en diferentes direcciones?
Curiosamente, incluso si la luz viaja a velocidades diferentes en direcciones opuestas, no tiene ningún impacto en las cosas que dependen de que la velocidad de la luz sea constante.
Mientras la velocidad de la luz de ida y vuelta siga constante, la física no se ve afectada. Las ecuaciones siguen siendo ciertas y las teorías no se vuelven más complejas. Incluso Albert Einstein reconoció esto cuando estableció la convención para la isotropía de la velocidad de la luz. En modelos cosmológicos, cualquier variación en la dirección de la velocidad de la luz no resultaría en cambios observables.
Esto no significa que estudiar la velocidad de la luz de ida sea insignificante. Simplemente significa que no debemos desestimar nuestros libros de física solo porque no conocemos el valor exacto de la velocidad de la luz de ida.