¿Cómo probaron que la luz tiene una velocidad constante?

No lo hicieron y no lo hace.

En ausencia de gravedad y aceleración, la velocidad de la luz, entre los llamados observadores inerciales, es independiente de la dirección del movimiento. Esa es la base de la teoría limitada (1905) de la relatividad.

Más allá de eso, no se ha demostrado que la luz no esté definida para viajar a una velocidad constante, y de hecho, en relatividad general, no lo hace. Tanto la aceleración como la gravedad causan estragos en el movimiento de la luz.

La electrodinámica del siglo XIX tiene la velocidad de la luz constante en

para el espacio plano, libre de gravedad, pero la tecnología de los siglos XX y XXI rechaza el valor como una aproximación insuficiente para el vuelo espacial (Consulte la misión MENSAJERO de la NASA) o el GPS (cuyas fórmulas codifican tasas de tiempo y velocidades de luz que varían con la altitud en Una referencia de inercia artificial para todo el sistema: los relojes satelitales de gran altitud están preajustados para compensar la tasa de tiempo orbital real y la velocidad de la luz).

La velocidad de la luz varía “significativamente” (para muchos propósitos) en cualquier campo gravitacional. Es cero en el horizonte de un agujero negro.

En cosmología, en imágenes que todos han visto desde los satélites IMAP y Planck, la luz del material fotografiado por el CMB viaja a 59 ° C, más de 17,7 millones de kilómetros por segundo.

La “definición” del SI (17ª conferencia general sobre pesas y medidas, 1983) efectivamente llega a una constante definida, c = 299 792 458 metros por segundo, para la luz de la fuente recomendada de láser de helio-neón, bajo condiciones específicas de medición .

La norma reconoce explícitamente la física de la gravedad y la dependencia terrestre de la velocidad de la luz en la altitud.

Se sabe desde 1916 que la velocidad local de la luz en gravedad es

c ‘(φ) = (1 + 2φ / c ^ 2) c

Por ejemplo, la luz que pasta la Tierra o el Sol en un radio r (potencial newtoniano φ = -GM / r) viaja a

c ‘= c – 2GM / cr

Para el sol, esto es 299 791 185 metros por segundo, 1273 m / s más lento que c.

Nota al pie: ¿Qué es un medidor? La declaración de velocidad de la luz SI de 1983 fue un cambio en la longitud oficial y la definición del medidor. El medidor se había basado (1889) en una barra de platino-iridio de fabricación británica. En 1960, se redefinió como 1 650 763.73 veces la longitud de onda de la línea espectral naranja del criptón 86.

La formulación actual (1983) simplemente reconoce que la tecnología actual puede medir el tiempo con mayor precisión que la distancia. La conocida y bastante estable velocidad de la luz convierte el tiempo de viaje medido para la luz en un valor de distancia más preciso que luego se puede medir como distancia.

No se puede probar nada en la ciencia en general, y específicamente no en la física. Una prueba significa que sabes algo con 100% de certeza. Dado que todo lo que sabe en física se basa en observaciones de precisión finita, y dado que cualquier observación puede explicarse de múltiples maneras, simplemente nunca puede alcanzar el 100% de certeza. Sin embargo, puedes hacer argumentos muy convincentes a través de una experimentación casi infalible. Esto es exactamente lo que sucedió en este caso, y por qué casi todos los físicos se sienten cómodos al afirmar que la velocidad de la luz es constante.

Innumerables mediciones de la velocidad de la luz han sido realizadas por un gran grupo de personas durante cientos de años. Pero en general se acepta que las dudas finales se resolvieron después del experimento de Michelson-Morley, realizado durante la primavera y el verano de 1887. Además de su gran precisión, una de las características hermosas de este experimento fue que todo el aparato estaba montado en una losa de piedra que flotaba sobre un canal de mercurio y, por lo tanto, podía rotarse a voluntad. Dado que la Tierra se mueve a través del espacio a cierta velocidad, si la velocidad de la luz no fuera constante, usted podría medir los cambios en su velocidad en diferentes ángulos. El experimento mostró que este no era el caso, lo que demuestra con un alto grado de certeza (aunque no prueba) que la luz tiene una velocidad constante.

Arriba: un diagrama del interferómetro 1881 de Michelson, que formó la base del instrumento 1887 de Michelson y Morley.

Bueno … comience con las ecuaciones de Maxwell

[matemáticas] \ bigtriangledown \ cdot E = \ frac {\ rho} {\ epsilon_0} [/ matemáticas]

[matemáticas] \ bigtriangledown \ cdot B = 0 [/ matemáticas]

[math] \ bigtriangledown \ times E = – \ frac {\ partial B} {\ partial t} [/ math]

[math] \ bigtriangledown \ times B = \ mu_0 (J + \ epsilon_0 \ frac {\ partial E} {\ partial t}) [/ math]

En el vacío, [matemáticas] \ rho = J = 0 [/ matemáticas]

[matemáticas] \ bigtriangledown \ cdot E = 0 [/ matemáticas]

[matemáticas] \ bigtriangledown \ cdot B = 0 [/ matemáticas]

[math] \ bigtriangledown \ times E = – \ frac {\ partial B} {\ partial t} [/ math]

[math] \ bigtriangledown \ times B = \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial E} {\ partial t} [/ math]

Tome el rizo de ambos lados de la Ecuación 3 (Ley de Faraday)

[matemáticas] \ bigtriangledown \ times (\ bigtriangledown \ times E) = – \ frac {\ partial \ bigtriangledown \ times B} {\ partial t} [/ math]

Tenga en cuenta que para cualquier vector [matemática] V [/ matemática] (este es un teorema simple de cálculo vectorial)

[matemáticas] \ bigtriangledown \ times (\ bigtriangledown \ times V) = \ bigtriangledown (\ bigtriangledown \ cdot V) – \ bigtriangledown ^ 2 V [/ math]

Como [math] (\ bigtriangledown \ cdot E) = 0 [/ math]:

[matemáticas] \ bigtriangledown ^ 2 E = \ frac {\ partial \ bigtriangledown \ times B} {\ partial t} [/ math]

Sustituyendo:

[matemáticas] \ bigtriangledown ^ 2 E = \ frac {\ partial \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial E} {\ partial t}} {\ partial t} = \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial ^ 2 E} {\ parcial t ^ 2} [/ matemáticas]

En una dimensión [math] \ bigtriangledown ^ 2 E = \ frac {\ partial ^ 2 E} {\ partial x ^ 2} [/ math], entonces

[math] \ frac {\ partial ^ 2 E} {\ partial x ^ 2} = \ mu_0 \ epsilon_0 \ frac {\ partial ^ 2 E} {\ partial t ^ 2} [/ math]

Bueno, este es nuestro viejo amigo, la ecuación de onda unidimensional. La forma general de la ecuación de onda es:

[matemáticas] \ frac {\ partial ^ 2 \ psi} {\ partial x ^ 2} = \ frac {1} {v ^ 2} \ frac {\ partial ^ 2 \ psi} {\ partial t ^ 2} [/ matemáticas]

que describe una onda [math] \ psi [/ math] que se propaga a la velocidad [math] v [/ math]. Se resuelve fácilmente, pero todo lo que tenemos que hacer es ver que nuestra ecuación describe una onda [matemática] E [/ matemática], con velocidad [matemática] v ^ 2 = \ frac {1} {\ mu_0 \ epsilon_0}, v = \ sqrt {\ frac {1} {\ mu_0 \ epsilon_0}} [/ math]

La ola es ligera; Esta ecuación dice que su velocidad es exactamente [matemática] \ sqrt {\ frac {1} {\ mu_0 \ epsilon_0}} [/ matemática]. Los valores de los parámetros [math] \ mu_0, \ epsilon_0 [/ math] se determinan experimentalmente, y no te sorprenderá que

[matemáticas] \ sqrt {\ frac {1} {\ mu_0 \ epsilon_0}} = c \ aprox 2.97 \ veces 10 ^ 8 [/ matemáticas] m / s

La pregunta tiene dos partes. Primero, se encontró que la velocidad de la luz en el espacio libre era constante, independiente de la frecuencia. En segundo lugar, había un entendimiento común de que las leyes de la física seguían siendo las mismas independientemente del marco de referencia, siempre que ese marco de referencia fuera constante en velocidad, dirección y no girara (también conocido como “marco de referencia inercial”). Einstein señaló que esta comprensión no se aplicaba a la electrodinámica que estudia el fenómeno de la luz. Las leyes electrodinámicas predicen la velocidad de la luz. Para que estas leyes sean independientes del marco de referencia inercial, la velocidad de la luz también debe ser constante.

Las pruebas se utilizan para teoremas matemáticos no para el mundo físico (física, química, biología, etc.).

Las mediciones se realizaron con alta precisión de que la velocidad de la luz no es una función de la posición de rotación de la Tierra sobre su eje o con la rotación de la Tierra alrededor del sol. La precisión de la medición fue mejor que la requerida para determinar si la Tierra se está moviendo a través de un “éter”. Una hipótesis era que este éter estableció un marco de referencia absoluto para comparar. Dado que la Tierra se mueve en diferentes direcciones en los lados opuestos del sol, tal efecto podría descartarse.

El experimento fue el experimento del interferómetro Michelson-Morley en 1887.

Se han realizado muchos otros experimentos después de confirmar la velocidad constante de la luz y, desde la perspectiva de los estándares, fue más preciso definir la velocidad de la luz en la constante que es hoy y definir la longitud en términos de esta constante y la frecuencia de un reloj atómico.

Los físicos continúan buscando discrepancias que indiquen una velocidad de luz no constante, pero hasta ahora no han tenido éxito. No apostaría mi carrera en buscar evidencia contraria a la velocidad constante de la luz.

Si la luz no tuviera una velocidad constante, aparecerían cosas extremadamente extrañas en astronomía, como las estrellas no aparecerían como puntos sino guiones y elipses, ¡y cambiarían de color y su desplazamiento al rojo cambiaría! Y ellos no.

LIGO sería imposible si la velocidad de la luz cambiara.

También se han realizado muchos experimentos con rayos láser dentro de tuberías evacuadas que permanecen allí durante años y años sin cambiar. El NBS en 1982 corrió uno en Colorado.

Entonces hay una larga historia de esta idea. “C” es una constante.

La invariancia de la velocidad de la luz tiene consecuencias que pueden probarse. Por ejemplo, si la velocidad de la luz no fuera constante, el GPS no funcionaría.

Para detalles de las consecuencias y pruebas ver aquí:

Bases experimentales de relatividad especial

Sin embargo, no ha sido absolutamente probado. Es un principio general en el empirismo que una ley científica general de hecho nunca puede probarse Verdadero en el sentido matemático estricto. Solo se puede demostrar que no ha sido refutado por muchos intentos muy inteligentes y decididos.

Puede haber alguna circunstancia en la que falla … es solo que funciona para casi todo lo que se ha intentado.

Las ecuaciones de Maxwell muestran que la velocidad de la luz es el resultado de otras dos constantes fundamentales (la permeabilidad y la permitividad del espacio libre, ahora constantes medidas).

Medimos la velocidad de la luz durante más de 300 años y descubrimos que era constante. Entonces redefinimos el medidor, para que “pruebe” que la velocidad de la luz es constante, como una tautología.

La velocidad de la luz como constante es una decisión tomada por la comunidad científica, no una prueba. Redefinimos el medidor por la velocidad de la luz en el vacío, que se decide que es 300000000 m / s, por lo que si c realmente cambiara, ni siquiera podríamos saberlo.