¿Cómo miden los científicos la velocidad de la luz?

Nosotros no

No, en serio, no medimos la velocidad de la luz (que siempre se refiere a la velocidad en el vacío ).

Sabemos exactamente cuál es la velocidad de la luz.

Está:

[matemáticas] c = [/ matemáticas] [matemáticas] 299792458 [/ matemáticas] [matemáticas] ms ^ {- 1} [/ matemáticas]

Y eso es absolutamente 100% preciso, sin errores de medición.

Pero Jack, te escucho decir, ¿de qué demonios estás hablando?

La razón por la que sabemos que esa es exactamente la velocidad de la luz, es que la definimos como ese número.

Luego tomamos nuestra definición de un segundo (el período de tiempo durante un cierto número de períodos de la radiación emitida en transiciones hiperfinas en cesio-133), y a partir de eso definimos un medidor.

¡Entonces lo que estaríamos midiendo es lo que es un medidor!

Usamos la velocidad de la luz como una velocidad fija, desde la cual todos los observadores pueden definir su propia escala de longitud.

Para medir la velocidad de la luz se requeriría una definición externa de lo que es un medidor, y desde aproximadamente la década de 1970, ¡no tenemos una!

Y si quería medir la velocidad de la luz usando esta referencia de distancia externa, es fácil de probar: simplemente suelta un pulso de luz en t = 0, hacia un espejo, y luego mide el tiempo que tarda en volver a usted. Este es el principio exacto en el que trabaja el radar / sonda (aunque de nuevo, miden la distancia conociendo la velocidad , pero funciona en ambos sentidos).

Algunos antecedentes:

El medidor se definió originalmente después de la Revolución Francesa, alrededor de 1799. Se definió como [matemáticas] \ frac {1} {10,000,000} [/ matemáticas] la distancia entre el ecuador y el polo.

El “medidor” se definió formalmente desde 1889 como la longitud de una varilla de platino, sostenida en una bóveda en París.

A partir de esta definición de un medidor (y una antigua definición de un segundo, me olvido de lo que era), medimos (usando el método de sincronización de espejo, o en base a observaciones astronómicas) la velocidad de la luz para ser aproximadamente [matemática] 299792458 [ / math], más un bit no entero y barras de error de los errores de medición.

Finalmente, nos dimos cuenta de que tener un medidor definido por algo de lo que solo había uno era un poco molesto. Entonces, intentamos definirlo de manera que cualquiera pudiera replicar, sin tener que referirse a un “objeto estándar”.

Por lo tanto, redefinimos el medidor , utilizando la velocidad de la luz.

La definición oficial de un medidor hoy es:

[matemática] \ frac {1} {299792458} [/ matemática] de la distancia recorrida por la luz en el vacío, en 1 segundo [matemática]. [/ matemática]

Usando la definición de cesio de un segundo.

Por lo tanto, esto era exactamente equivalente a definir la velocidad de la luz como el número dado anteriormente.

Elegimos ese número (y no un número más conveniente como 300,000,000), porque ese número cambió la definición de un medidor solo por una fracción de una fracción de un porcentaje, pero hizo que todo fuera agradable y entero.

Una consecuencia del uso de esta definición es que cualquier intento de medir la velocidad de la luz es cíclico, debe usar un “medidor” para medirlo en algún momento, que depende de la velocidad de la luz.

Por lo tanto, lo que realmente hace ahora, cuando “mide” la velocidad de la luz (en el vacío), es “medir cuán precisos son sus instrumentos de medición”.

Por qué, se ha definido y no necesita ser medido. Hay muchas cosas que no se pueden medir porque simplemente lo son. Impuestos estadounidenses en el trabajo = Definiciones actuales de las unidades del SI en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología | NIST

La misión del BIPM es garantizar y promover la comparabilidad global de las mediciones, incluido el suministro de un sistema internacional coherente de unidades para:

• Descubrimiento científico e innovación,
• Fabricación industrial y comercio internacional,
• Sosteniendo la calidad de vida y el medio ambiente global.

El papel único del BIPM le permite cumplir su misión al desarrollar la infraestructura técnica y organizativa del Sistema Internacional de Unidades (SI) como base para la trazabilidad mundial de los resultados de medición. Esto se logra tanto a través de actividades técnicas en sus laboratorios como a través de la coordinación internacional. BIPM – BIPM; Contexto histórico del SI BIPM – historia

Definiciones de las unidades base del SI (Sistema Internacional de Unidades)

• metro

• El medidor es la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299 792 458 de segundo.

• Definiciones de la unidad base: Medidor (un poco de historia para los curiosos)

• El kilogramo es la unidad de masa; es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo.

• Definiciones de la unidad base: kilogramo

• Es ese pequeño cilindro brillante debajo de las dos cúpulas de vidrio.

• El segundo es la duración de 9 192 631 770 períodos de la radiación correspondiente a la transición entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.

• Definiciones de la unidad base: segundo

Relojes atómicos

• amperio

• El amperio es esa corriente constante que, si se mantiene en dos conductores paralelos rectos de longitud infinita, de sección transversal circular insignificante, y se coloca a 1 metro de distancia en vacío, produciría entre estos conductores una fuerza igual a 2 x 10-7 newton por Metro de longitud.

• Definiciones de la unidad base: amperios

Amperio – Wikipedia

• Kelvin

• El kelvin, unidad de temperatura termodinámica, es la fracción 1 / 273.16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

• Definiciones de la unidad base: Kelvin

Triple punto de agua – Wikipedia (a veces tienen los diagramas más geniales)

• Topo

• 1. El mol es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos en 0.012 kilogramos de carbono 12; su símbolo es “mol”.
• 2. Cuando se usa el lunar, las entidades elementales deben especificarse y pueden ser átomos, moléculas, iones, electrones, otras partículas o grupos específicos de tales partículas.

• Definiciones de la unidad base: topo

• La candela es la intensidad luminosa, en una dirección dada, de una fuente que emite radiación monocromática de frecuencia 540 x 1012 hertzios y que tiene una intensidad radiante en esa dirección de 1/683 vatios por esteradian.

• Definiciones de la unidad base: Candela

Saludos

En 1983, la 17ª Conferencia General de Pesos y Medidas (GCPM) redefinió la velocidad de la luz para que fuera exactamente 299,792,458 m / s, por lo que la velocidad de la luz ya no se mide.

Dejame explicar.

Antes de 1983

• El segundo se definió como 9.192.631.770 períodos de radiación de la transición hiperfina del estado fundamental del cesio-133.
• El medidor se definió como 650,763.73 longitudes de onda (en vacío) de la línea de emisión naranja-roja del átomo de criptón-86.

En 1972, la Oficina Nacional de Normas determinó que la velocidad de la luz en el vacío, expresada en términos de las definiciones anteriores del segundo y el medidor, era 299,792,456.2 ± 1.1 m / s.

En 1983, el GCPM realizó una evaluación cuidadosa de los factores que limitan la precisión de las mediciones de la velocidad de la luz y la posibilidad de mejoras futuras, evaluando las tecnologías de medición disponibles, así como la reproducibilidad de los estándares en los que se basó la medición de la velocidad de la luz. . Las precisiones del reloj atómico en términos del estándar de cesio habían alcanzado partes en [matemática] 10 ^ {13} [/ matemática] niveles de precisión, con niveles de precisión constantemente crecientes previsibles durante décadas en el futuro. Sin embargo, las mediciones de longitud en términos del estándar de criptón se atascaron en algunas partes en [matemáticas] 10 ^ {10} [/ matemáticas] sin un camino claro hacia la mejora.

En otras palabras, GCPM había determinado que el obstáculo principal para mejorar la velocidad de las mediciones de luz era el estándar del medidor. Como los argumentos teóricos apuntaban a que la velocidad de la luz es una constante fundamental de la naturaleza, se tomó la decisión de definir la velocidad de la luz como un valor exacto.

En lugar de aumentar la precisión de las mediciones de la velocidad de la luz en términos de un medidor estándar y el segundo estándar, el enfoque de investigación actual ha cambiado para aumentar la precisión de las mediciones del medidor en términos de la velocidad de luz definida y el segundo estándar.

Las mejoras tecnológicas desde 1983 han facilitado enormemente este proceso. Mientras que, en 1983, determinar la frecuencia precisa en términos del estándar de tiempo de cesio de las líneas de emisión visible e infrarroja (la línea 520 THz de yodo y la línea 260 THz de neón) requirió muchos meses de esfuerzo por parte de un equipo de NIH (Pollock et al. Optics Lett. 8 , 122–135 [1983]), el advenimiento de los peines de frecuencia ha hecho que tales mediciones sean rutinarias.

La longitud de onda de una sola línea de un láser estabilizado se calcula de acuerdo con la relación [matemática] \ lambda = \ frac {c} {nf} [/ matemática] donde c es la velocidad definida de la luz, n es el índice de refracción del medio en el que se realiza la medición, y f es la frecuencia medida de la fuente.

Para mediciones prácticas de medidores, la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (BIPM) ha recomendado el uso de la longitud de onda del láser HeNe [math] \ lambda_ {HeNe} [/ math], que se considera 632.99121258 nm con una incertidumbre estándar relativa estimada de [ matemáticas] 2.1 \ veces 10 ^ {- 11} [/ matemáticas].

La primera persona conocida que cuestiona toda la velocidad de la luz es infinita.

“Antes del siglo XVII, generalmente se pensaba que la luz se transmite instantáneamente. Galileo dudó de que la velocidad de la luz sea infinita, e ideó un experimento para medir esa velocidad cubriendo y descubriendo linternas manualmente que estaban separadas unas pocas millas de distancia “.

En 1864, James Clerk Maxwell formuló la teoría dinámica del campo electromagnético.

En 1864, James Clerk Maxwell formuló la teoría dinámica del campo electromagnético.

La luz es una onda electromagnética: Maxwell se dio cuenta de esto alrededor de 1864. La velocidad c de una onda electromagnética está determinada por las constantes de electricidad y magnetismo que usted conoce tan bien:

“Se propone un paquete de ondas tipo fotón basado en soluciones novedosas de las ecuaciones de Maxwell. Se cree que es el primer modelo ‘clásico’ que contiene muchas de las características cuánticas aceptadas ”.

Hay un breve historial útil y métodos para medir la velocidad de la luz en el siguiente artículo:

¿Cómo se mide la velocidad de la luz?

¿Cómo encontramos la velocidad de la luz?

Leer más: La respuesta de Hossein Javadi a ¿Qué es la luz compuesta de partículas u ondas?

La respuesta de Hossein Javadi a ¿Sabemos por qué hay un límite de velocidad en nuestro universo?

Es habitual en estos días afirmar que no medimos la velocidad de la luz porque es un número estándar, [matemática] c = 299792458 m / s [/ matemática]. Esta declaración no es precisa. Ese valor, [matemática] c, [/ matemática] es de hecho una constante definida de la naturaleza llamada “la velocidad de la luz en el vacío” que no necesita ser medida. Se originó a partir de la medición más precisa de [matemáticas] c [/ matemáticas] con la mejor definición del medidor [matemáticas] m [/ matemáticas] de esa época (1973). Ahora, que [matemática] c [/ matemática] es una constante, se combina con un segundo estándar [matemática] s [/ matemática] para definir el medidor estándar. Es posible medir una velocidad experimental de la luz [matemática] v [/ matemática] en diversas situaciones y comparar [matemática] v [/ matemática] con la constante [matemática] c [/ matemática] y buscar discrepancias. Discutiré cómo medimos [matemática] v [/ matemática] momentáneamente. Primero analicemos por qué aún podríamos necesitar medirlo.

La velocidad medida [matemática] v [/ matemática] puede variar debido a la presencia de gases, gravedad, fluctuaciones cuánticas o incluso un desafío / validación experimental de la constancia de la relatividad de [matemática] v [/ matemática]. Según la relatividad [matemática] v = [/ matemática] [matemática] c [/ matemática] en vacío de caída libre en cualquier parte del universo y para cualquier velocidad de fuente de luz u observador. A medida que la ciencia y la tecnología avancen, ese error se reducirá. Si mide [math] v [/ math] hoy con las mejores herramientas disponibles, encontrará que [math] v = c \ pm 1.2 m / s [/ math]. Si [matemática] v [/ matemática] es diferente a [matemática] c [/ matemática] en condiciones ideales de vacío, entonces según nuestra convención [matemática] c [/ matemática] permanecerá sin cambios y [matemática] m [/ matemática] será refinado, pero si por alguna razón las mediciones encontrarán variaciones de [matemática] v [/ matemática] vs. [matemática] c [/ matemática] en diferentes condiciones de inercia, esto obligará a volver a examinar la relatividad o, lo más probable, indicará errores En la técnica de medición.

Para medir [matemática] v [/ matemática] con precisión se utilizan láseres de alta estabilidad, su frecuencia [matemática] f [/ matemática] es calibrada por [matemática] [/ matemática] y luego la longitud de onda [matemática] \ lambda [/ matemática ] se mide y [matemáticas] v = \ lambda f [/ matemáticas]. Las longitudes de onda están calibradas por [math] m [/ math] que depende de [math] s [/ math] y [math] c [/ math]. Ahora quedaba por ver si [matemáticas] v = c [/ matemáticas] utilizando la técnica de calibración más refinada que depende de las constantes [matemáticas] c [/ matemáticas] [matemáticas] s [/ matemáticas] y [matemáticas] m [ /matemáticas].

Un poco de historia primero:

Antes del siglo XVII, generalmente se pensaba que la luz se transmite instantáneamente. Esto fue respaldado por la observación de que no hay un retraso notable en la posición de la sombra de la Tierra en la Luna durante un eclipse lunar, que de otro modo se esperaría si c fuera finito. ( c es equivalente a la velocidad de la luz en el vacío ). Hoy en día, sabemos que la luz se mueve demasiado rápido para que el retraso sea notable. Galileo dudó de que la velocidad de la luz sea infinita, e ideó un experimento para medir esa velocidad cubriendo y descubriendo linternas manualmente que estaban separadas unas pocas millas. No sabemos si alguna vez intentó el experimento, pero nuevamente c es demasiado alto para que tal método dé una respuesta remotamente precisa.

Olaus Roemer realizó la primera medición exitosa de c en 1676. Notó que, dependiendo de la geometría Tierra-Sol-Júpiter, podría haber una diferencia de hasta 1000 segundos entre los tiempos predichos de los eclipses de las lunas de Júpiter, y los tiempos reales en que se observaron estos eclipses. Conjeturó correctamente que esto se debe al tiempo variable que tarda la luz en viajar de Júpiter a la Tierra, ya que la distancia entre estos dos planetas varía. Obtuvo un valor de c equivalente a 214,000 km / s, que era muy aproximado porque las distancias planetarias no se conocían con precisión en ese momento.

La primera medida de c que no hizo uso de los cielos fue por Armand Fizeau en 1849. Utilizó un haz de luz reflejado desde un espejo a 8 km de distancia. El rayo apuntaba a los dientes de una rueda que giraba rápidamente. La velocidad de la rueda aumentó hasta que su movimiento fue tal que el paso bidireccional de la luz coincidió con un movimiento de la circunferencia de la rueda por un diente. Esto dio un valor para c de 315,000 km / s. Leon Foucault mejoró este resultado un año después usando espejos giratorios, lo que dio un valor mucho más preciso de 298,000 km / s. Su técnica fue lo suficientemente buena como para confirmar que la luz viaja más lentamente en el agua que en el aire.

En 1958, KD Froome obtuvo un valor de 299,792.5 km / s usando un interferómetro de microondas y un obturador de celda Kerr. Después de 1970, el desarrollo de láseres con una estabilidad espectral muy alta y relojes de cesio precisos permitieron mediciones aún mejores. Hasta entonces, la definición cambiante del medidor siempre se había mantenido por delante de la precisión en las mediciones de la velocidad de la luz. Pero en 1970 se había alcanzado el punto en el que se conocía la velocidad de la luz dentro de un error de más o menos 1 m / s. Se hizo más práctico fijar el valor de c en la definición del medidor y usar relojes atómicos y láseres para medir distancias precisas.

Hoy en día, la velocidad de la luz en el vacío se define para tener un valor fijo exacto cuando se administra en unidades estándar. Desde 1983, el medidor se ha definido por acuerdo internacional como la distancia recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1 / 299,792,458 de segundo. Esto hace que la velocidad de la luz sea exactamente 299,792.458 km / s.

Al observar la siguiente tabla, notaremos los resultados palpables pero en su mayoría aproximados de los primeros años hasta hoy.

¡Puedes hacerlo en la comodidad de tu hogar! ¿Tienes uno de estos?

Así es, todo lo que necesita es un microondas y algo que se derrita fácilmente … digamos uno de estos:

Lo siguiente que necesitará saber es la frecuencia de la radiación de microondas: es muy probable que esté escrito en algún lugar de su microondas. El estándar suele ser 2,45 GHz (gigahercios).

Primero retire el plato giratorio, coloque su barra chocky en y después de calentar en el microondas por un momento, saque su chocolate y mida la distancia entre dos puntos derretidos. Multiplicar esta distancia por 2 le dará la interferencia de la longitud de onda de la radiación de microondas (ya que las microondas han establecido una ‘onda estacionaria’) dentro del horno de microondas.

¡El producto de la longitud de onda y la frecuencia debería darle la velocidad de la luz!

Hay dos cosas: cálculo y medición.

Has preguntado sobre el cálculo. Esto se hace usando las cuatro ecuaciones de campo electromagnético de Maxwell. Podemos obtener dos ecuaciones de estas cuatro que son de campo eléctrico y magnético de tiempo variable. Estas ecuaciones son ecuaciones de onda matemáticamente con un término de velocidad en ellas. Por lo tanto, concluimos que los campos E y B variables en el tiempo se reproducen entre sí y se propagan como una onda que es una onda electromagnética y, a partir del término de velocidad (que es una constante), podemos conocer la velocidad de esta onda. Esto es lo mismo que la velocidad medida de la luz. Entonces concluimos que la luz es una onda electromagnética que viaja a la velocidad obtenida.

En una palabra, se conoce por la ecuación de onda electromagnética de Maxwell.

Hay muchas formas de medirlo experimentalmente. Primero fue hecho por Olaus Roemer en 1676. Más tarde se realizaron experimentos cada vez más precisos.

Nosotros no Desde 1983, ha sido imposible medir la velocidad de la luz; La velocidad de la luz se define exactamente como 299792458 metros por segundo.

“Pero, pero” (usted dice) “¿qué estoy midiendo si, por ejemplo, mido (de alguna manera) exactamente qué tan lejos viaja la luz en 1 segundo?” La respuesta es que está midiendo la longitud del medidor: en 1983, la 17ª Conferencia General sobre Pesos y Medidas cambió la definición del medidor (la unidad de longitud acordada internacionalmente) de una longitud fija a “la distancia que la luz viaja en el vacío en 1 / (299,792,458) segundos”.

Dicho esto, ¿cómo medimos la longitud del metro? Generalmente midiendo la longitud de onda [matemática] λ [/ matemática] de la luz desde una línea espectral particular emitida por un átomo excitado, donde la frecuencia f de la luz es exactamente conocida, utilizando la relación [matemática] λ = c / f. [/ math] Las líneas espectrales se usan porque se pueden generar de manera confiable en cualquier lugar o en cualquier momento y siempre tienen la misma frecuencia. La frecuencia se puede medir de varias maneras, aunque la mejor forma actual utiliza pulsos láser muy cortos para generar múltiplos enteros exactos de una frecuencia conocida (un “peine de frecuencia”) que se extiende desde las frecuencias de microondas (que podemos medir con mucha precisión). ) a frecuencias de luz visible. La longitud de onda se mide por interferometría: básicamente, colocando la óptica de modo que la luz se divida en dos haces que recorren dos caminos diferentes y se combinen nuevamente. El haz combinado mostrará “franjas” de áreas claras y oscuras, y cada franja corresponde a una diferencia de longitud de onda entre los dos caminos. Al cambiar deliberadamente un camino (por ejemplo, moviendo un espejo una distancia conocida) y contando las franjas que pasan a medida que realiza el cambio, puede contar el número de longitudes de onda en esa distancia conocida, hasta una pequeña fracción de una longitud de onda, si lo haces bien De 1960 a 1983, el medidor se definió de esta manera, como 1 650 763.73 longitudes de onda de la línea de emisión naranja-roja de Krypton 86 (un elemento gaseoso inerte agradable) en el vacío. Entonces, técnicamente, la velocidad de la luz se fijó por definición y no se pudo medir desde 1960, pero no fue tan obvio como con la definición más reciente del medidor en 1983.

Editado para agregar: Brett Buckland señala correctamente que usé la frase “distancia conocida”, lo que implica que ya tengo un estándar de longitud cuando hago una medición interferométrica de longitud de onda. Ese era el caso antes de 1960, pero para ser estrictamente correcto ahora, debería haber dicho una “distancia fija” o algo similar; es solo una distancia conocida después de haber medido cuántas longitudes de onda es igual.

Declaración: no soy científico, soy ingeniero mecánico.

Ahora, muchos científicos han escrito aquí acerca de que la velocidad de la luz es constante y todo, estoy de acuerdo. Sin duda, según la física relativista y, por lo demás, Einstein, la velocidad de la luz en el vacío es lo único que es constante en todo el universo (suponiendo que solo haya un universo y descuidando las teorías de la teoría de cuerdas: P) y la base de Los conceptos de contracción de la longitud y dilatación del tiempo.

Pero para responder a la pregunta, y desde un punto de vista de ingeniería, en el que la velocidad es la distancia recorrida / el tiempo tomado, hay muchas formas, incluida la observación de fenómenos astronómicos, enviando rayos láser a los espejos basados ​​en la luna y midiendo su velocidad, etc.

Sin embargo, un método empleado por los científicos para determinar la velocidad de la luz es mediante el uso de interferómetros. Un haz altamente coherente de luz láser monocromática de frecuencia conocida se divide en dos haces y se recombina después de que ambos haces hayan recorrido diferentes distancias. Esto ayuda a crear un patrón de interferencia en la recombinación. A partir del patrón de interferencia, se puede calcular la longitud de onda que, después de poner en la fórmula velocidad = longitud de onda, la frecuencia X le da la velocidad de la luz.

Incluso puede calcular utilizando los datos estándar disponibles para la luz.

Por ejemplo:

Longitud de onda de la luz roja: 750 nm

Frecuencia de luz roja: 400 THz

Entonces, c = 750nmX400THz = 3 x 10 ^ 8 m / s que está casi cerca.

¡Pero también puedes descubrir la velocidad de la luz en tu casa!

Un experimento simple que puedes realizar en tu cocina. Solo sigue los pasos:

1. Retire el equipo giratorio de su horno de microondas. (No dejes que tu madre te atrape mientras haces esto: P).
2. Coloque una gruesa, si es posible, una losa de chocolate cuboidal en ella.
3. Encienda el microondas durante 15 o 30 segundos.
4. Notarás que la losa de choco se ha derretido más en dos o más puntos en la parte superior.
5. Mida la distancia entre ellos y multiplíquelo por 2. Esta es la longitud de onda de microondas.
6. Ahora multiplíquelo con la frecuencia del microondas que se muestra en el horno o del manual. Típicamente es alrededor de 2450–2500 MHz.
7. Voila !! tiene la velocidad de la radiación electromagnética, es decir, la luz

Históricamente, hubo muchos métodos probados y probados para medir la velocidad de la luz. Muchos tuvieron éxito como Ole Roemer, Fizeau y Foucault.

Incluso Galileo desvió un método que era correcto pero no lo suficientemente preciso.

Roemer trabajó con lunas de Júpiter, Galileo con colinas y linternas y Fizeau con rueda dentada.

El método utilizado por Foucault se basó principalmente en un espejo giratorio. Se hace que un haz de luz distante paralelo caiga sobre una tira de espejo giratoria que nuevamente se refleja en la fuente usando otro espejo estacionario. La diferencia de trayectoria experimentada por la luz debido a los diferentes ángulos del espejo giratorio causaría un cambio de puntos en el espejo estacionario. Calculando con la velocidad angular del espejo y el desplazamiento junto con la distancia involucrada, se determina la velocidad de la luz.

Nota: He intentado esto para mi proyecto de pregrado que no tuvo éxito a pesar de que usamos un rayo láser. Por lo tanto, Foucault debería haber sido extremadamente ingenioso para aplicar y aplicar un método en el que ninguno tenía ni siquiera una pista sobre la estructura atómica, y mucho menos un láser.

Aún así es fascinante medir la velocidad de la luz. Espero que esta respuesta sirva a tu propósito.

Gracias por leer.

Buen día .

La primera medida de c que no hizo uso de los cielos fue por Armand Fizeau en 1849.

Utilizó un haz de luz reflejado por un espejo a 8 km de distancia. El rayo apuntaba a los dientes de una rueda que giraba rápidamente. La velocidad de la rueda aumentó hasta que su movimiento fue tal que el paso bidireccional de la luz coincidió con un movimiento de la circunferencia de la rueda por un diente. Esto dio un valor para c de 315,000 km / s.

Leon Foucault mejoró este resultado un año después usando espejos giratorios, lo que dio un valor mucho más preciso de 298,000 km / s. Su técnica fue lo suficientemente buena como para confirmar que la luz viaja más lentamente en el agua que en el aire.

Si está interesado en saber qué matemática funcionó en este elegante experimento, vea este video (enlace a continuación) …

¡Después de ver este video, estoy seguro de que admirarás esta gran idea detrás de este experimento realizado por Fizeau en 1849 para medir la velocidad de una forma de energía que puede viajar alrededor de 7 veces alrededor del mundo mientras parpadeas!

Respeto a Fizeau!

Históricamente, la velocidad de la luz se midió de varias maneras.

Galileo intentó medirlo parándose en una colina con una linterna y haciendo que un asistente se parara en una colina distante a varias millas de distancia con otra linterna. Ambas linternas estaban cubiertas. Galileo descubriría su lámpara y luego su asistente la descubrió tan pronto como vio la lámpara de Galileo. Al medir el tiempo desde que descubrió su lámpara hasta que vio la lámpara del asistente (¡con su reloj de péndulo!), Mediría el tiempo de ida y vuelta para la luz que viaja entre las colinas. Por supuesto, la luz viajó WAAAY demasiado rápido para que esto funcione.

Rømer, en 1676, fue la primera persona en medir realmente la velocidad de la luz, observando las lunas de Júpiter. El radio de las órbitas de la Tierra y de Júpiter ya se había medido mediante técnicas de paralaje. Rømer señaló que la fase de las órbitas de las lunas de Júpiter cambió gradualmente a medida que la Tierra giraba alrededor del Sol (Júpiter se movió, también, durante este tiempo, pero mucho menos). Rømer se dio cuenta de que esto se debía a que la Tierra se estaba acercando y alejándose de Júpiter, introduciendo un cambio de 22 minutos en sus órbitas (el tiempo para que la luz recorra el diámetro de la órbita de la Tierra. El tiempo real es menor, por cierto). Estuvo un poco apagado en sus estimaciones, pero se le ocurrió que la velocidad era de 220,000 kilómetros / segundo (el valor real es de menos de 300,000 km / seg). Su explicación de por qué las lunas estaban cambiando de fase fue algo controvertida en ese momento.

El primer método directo exacto fue en realidad algo así como el de Galileo, por el físico Fizeau en 1849. Tenía una rueda con muescas alrededor de su borde que podía girar a velocidades cuidadosamente medidas, girándola cientos de veces por segundo. Colocó un espejo a más de 5 millas de distancia. Tenía una fuente de luz enfocada que iluminaba un rayo en las muescas de la rueda y rebotaba en el espejo y tenía un telescopio que también miraba a través de las muescas en el espejo distante. Sin rotación, podía colocar un diente para que la luz brillara y podía ver el haz de retorno en su telescopio. Cuando comenzó a girar la rueda, la luz desapareció de su telescopio y luego reapareció a medida que aumentaba la velocidad de rotación. Las muescas actuaban como persianas. Cuando tenía la rueda girando lo suficientemente rápido, un pulso de luz atravesaba una muesca, viajaba hacia el espejo y hacia atrás y pasaba por la siguiente muesca mientras giraba en su posición. Como sabía el tiempo que le tomaba a las muescas rotar y lo lejano al espejo, podía calcular la velocidad de la luz en el aire, como 313,000 km.seg, un poco más alta.

En el laboratorio de física de la universidad, realiza la variación del método que Fizeau y Foucault desarrollaron unos años más tarde y obtuvo una medición muy precisa. En el laboratorio tienes un espejo giratorio. Apuntas un láser sobre él y luego haces rebotar el haz reflejado alrededor del laboratorio con un conjunto de espejos y lentes de vuelta al espejo giratorio. La disposición de lentes y espejos permite que un haz de luz del láser que golpea el espejo giratorio pase por la habitación solo cuando el espejo giratorio está en cierto ángulo. Entonces este arreglo actúa como un obturador. El rayo que regresa, después de dar la vuelta a la habitación, golpea el espejo giratorio nuevamente y rebota hacia una pantalla. Usted mide este ángulo inicialmente con el espejo no girando pero ajustado para hacer rebotar el haz alrededor de la habitación. Luego comienza a girar el espejo a velocidades cada vez más altas y mide cómo se desvía el haz. Básicamente, el espejo giratorio ha cambiado un poco su ángulo durante el tiempo que tarda el haz en recorrer la habitación, por lo que lo refleja en un ángulo diferente al de la pantalla. Mides la velocidad de rotación, la distancia alrededor de la habitación y la desviación del haz (hay algunos trigonometros involucrados) y obtienes una estimación bastante buena. Lo logré dentro del 1% haciendo esto. Pero es mucho más fácil con el láser en comparación con la forma en que se hizo originalmente.

Existen, por supuesto, muchas, muchas técnicas para mejorar estas estimaciones, algunas involucrando la física moderna. Es una historia interesante si alguna vez te importa buscarla,

Hay varias formas de medir la luz.

Existe el método Fizeau-Foucault, que implica una configuración de espejos, lentes y, a veces, polarizadores para realizar mediciones que le permitan calcular la velocidad de la luz. (Realmente he hecho este experimento, no es muy agradable).

Además, la velocidad de la luz se puede medir reflejando haces de luz de los retroreflectores que dejan los programas Apollo, y midiendo el tiempo que tarda la luz en reflejarse y regresar a la Tierra.

Sin embargo, es importante recordar que la velocidad de la luz ahora se considera una cantidad definida.

Su valor es exacto porque la unidad de longitud, el metro, se define de acuerdo con la velocidad de la luz y el estándar internacional de tiempo.

Por lo tanto, un medidor se define como 1 / 299,752,458 de la distancia que recorre la luz en un segundo.

Su valor es arbitrario, solo tiene que definir la longitud de su medidor de acuerdo con él.

Es importante notar la historia de las unidades de metro y segundo aquí, para entender por qué hoy podemos definir la velocidad de la luz para que sea exactamente 299792458 m / s.

Como dijo Jack Frasier, el medidor se definió por primera vez como una fracción de un meridiano. El hecho de que ahora no tengamos 40,000 km de meridianos o ecuador no se debe solo a que la Tierra no sea una esfera exacta sino también a las mediciones inexactas en ese momento, sino que de todos modos una de las unidades base de nuestro sistema SI está estrechamente relacionada con nuestro planeta tierra

Lo mismo ocurre con el segundo, si miras wikipedia puedes ver la historia completa. Las fracciones de un día se nombraron de manera diferente y las primeras menciones de segundos fueron sobre el ciclo lunar. Su última definición es a través de Cesium 133, pero el término está más relacionado con radianes, con ángulos en el sistema Sexagesimal. Tanto sobre el tema de las unidades base del SI como métricas, unidades basadas en decimales.

Dado que tanto los períodos de radiación del cesio como la velocidad de la luz son números muy altos, se podría decir que ambos nunca son fracciones enteras reales de un segundo o múltiplos del metro por segundo y eso es cierto según las definiciones originales de las unidades, pero desde redondear a los números enteros significan tan pocas diferencias que podríamos hacer exactamente ese número de metros o esa frecuencia de descomposición y redefinir el segundo y el metro en lugar de vivir con una parte fraccional.

Por supuesto, todavía es posible medir la velocidad de la luz y ya tienes respuestas sobre cómo hacerlo, principalmente interferometría. La mayoría de las mediciones exactas fueron la base de la redefinición del medidor y el segundo, por lo que estas unidades no cambian notablemente (no solo en el sentido de la precisión de la percepción humana). Entonces, el número 299792458 no está definido arbitrariamente por nosotros, pero es arbitrario en el sentido de que el medidor todavía está relacionado con una dimensión de la Tierra. Realmente no tenemos unidades universales de base SI en el sentido de que cualquier especie alienígena también podría definirlas a partir de cosas que puedes observar en todo el universo, todavía tenemos un sistema de unidades muy terrenal.

Mi método favorito es usar el horno de microondas, un plato de queso rallado y una regla.

Paso 1. Verifique la frecuencia de su horno. Probablemente sea 2,45 GHz.

Paso 2. Cocine el queso durante aproximadamente medio minuto hasta que vea que algunas partes se derriten y otras no.

Paso 3. Mida la distancia entre los centros de las áreas fundidas. Si tiene un plato giratorio, entonces debe haber un gran círculo de queso derretido que rodea un punto derretido en el centro. Esta es tu longitud de onda. Debe ser de 12,24 centímetros.

Paso 4. Haz los cálculos.

Velocidad de la luz = longitud de onda por frecuencia

299,792,000 metros por segundo =

.1224 metros x 2,450,000,000 Hz

Paso 5. ¡Disfruta tu queso!

La primera medición exitosa de la velocidad de la luz fue a fines del siglo XVII por un astrónomo danés, Ole Romer, (Preguntas y Respuestas de Relatividad Especial y General) que se suponía que debía descubrir qué estaba mal con los eclipses de Lo, una luna de Júpiter. , que tuvo un retraso de 22 minutos (o plomo, dependiendo de hacia dónde se dirigía la Tierra).

Romer dijo que el retraso se debió al tiempo que tardó la luz en llegar desde Lo.

Desafortunadamente, él mostró su descubrimiento y lo anunció ante el jefe, Cassini,

Lo cual no fue apreciado.

Debido a las plumas rizadas de Cassini, pasaron años antes de que el trabajo de Romer fuera completamente aceptado. Su medida inicial, 220,000 kilómetros por segundo, ha sido refinada a través de los años. El hecho de que Romer solo tuviera un descuento de alrededor del 20%, es un logro notable.

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(El nombre de Romer a veces se deletrea Roemer).

En el pasado, cuando se medía la velocidad de la luz, la forma que se me queda en la mente es el rotor accionado por un motor eléctrico con espejos alrededor de su circunferencia y colocado en una ventana. Se iluminó una luz brillante en el espejo giratorio, y se reflejó desde un reflector de esquina fijo situado en una ladera distante. Se apuntó un telescopio al otro lado del espejo giratorio, de modo que con el espejo giratorio inmóvil, se pudo ver una imagen del reflector distante iluminado. Con el espejo puesto en rotación, la imagen del telescopio se desvaneció y reapareció, dependiendo de la velocidad de rotación. Conocer la cantidad de espejos, la velocidad del espejo, la distancia al reflector fue suficiente para estimar bien la velocidad de la luz para esa fecha.

Fizeau y Foucault hicieron los experimentos a mediados del siglo XIX.

Respetuosamente estoy en desacuerdo con Jack Fraser. Su respuesta es perspicaz y articulada. Si bien puede ser técnicamente preciso, su argumento es semántico. ¡Por supuesto que puedes medir la velocidad de la luz! De hecho, puedes construir tu propio aparato experimental. Es sorprendentemente simple y económico.

Lo hice en mi escritorio en una clase de física de la escuela secundaria usando un ataúd de madera, algunos espejos, un láser (o una luz estroboscópica), cinta métrica y un circuito simple para activar pulsos y contar frecuencia. Resultó en 4 dígitos de precisión. Mi obra de arte en esta respuesta de Quora es cruda, pero creo que entenderás la idea.