Las velocidades de la luz

Adiós a Edison. Esta semana he cambiado todas las bombillas de mi casa por otras de bajo consumo (aprovechando una oferta del IKEA). De esta forma gastaré cerca de 1/6 de la electricidad para iluminación que con las viejas bombillas de incandescencia (la electricidad hace que el filamento de wolframio de la bombilla se ponga muy caliente, incandescente, y emita luz. Sólo el 5% de la energía eléctrica se convierte en luz y el 95% restante en calor. Son, pues, muy poco eficientes energéticamente).

El féretro de mis bombillas de filamento

Bueno todas, todas no. He dejado algunas bombillas antiguas para ciertos lugares de paso. Las bombillas de bajo consumo necesitan varios segundos para activarse y hasta pasado un minuto no dan suficiente luz. Para lugares donde solo se está unos segundos, como en el habitáculo de la lavadora, la rapidez del encendido de las bombillas de filamento hacen que el invento de Edison sea el más apropiado. Y esto da pie a esta conversación:

- Papa, por qué no cambias la bombilla de la lavadora?

- Porque en ese rincón estamos poco rato y las bombillas nuevas tardan en encenderse.

- Ah, ya lo entiendo. La luz de las bombillas viejas va más rápido que la de las nuevas.

- Bueno, Raül. No exactamente. La luz de cada una de las bombillas va a la misma velocidad, lo que ocurre es que tarda más en salir en las nuevas.

- Va muy rápida la luz?

- Si. Es lo más rápido que existe.

- ¿Tan rápido como un coche?

- Mucho más. Y mucho más que un cohete.

De hecho la luz va tan rápida que en la antigüedad se pensaba que podría ser instantánea o lo que es lo mismo de velocidad infinita. Otros pensaban que la velocidad de la luz no era instantánea sino tan rápida que lo podía parecer pero con una velocidad limitada. Pero ¿como se mide algo que va extremadamente rápido? ¿como se mide la velocidad de la luz?

Unas preguntas que tu, ingenioso lector, supondrás que intentaré responder. Supones bien.

Galileo Galilei (no confundir con la sala donde actúan Faemino y Cansado en Madrid . Hablo del científico italiano) pensaba que la luz no era instantánea y para medir su velocidad propuso un experimento con dos lamparas de aceite separadas varios kilómetros (no hizo la prueba él mismo porque estaba casi ciego en 1638) . Dio instrucciones a un ayudante para hacer una señal con la linterna y al otro ayudante le dijo que repitiera la señal cuando viera la primera. El italiano pensó correctamente que la señal de luz viajaría de un observador a otro en un viaje de ida y vuelta. Midiendo el tiempo entre ambas señales se podría conocer su velocidad.

Recordar de no confundir con la sala donde
actuan los grandes Faemino y Cansado

Aunque el experimento era correcto, Galileo no consiguió medir la velocidad de la luz. Se dio cuenta de que el tiempo de reacción necesario para responder a las señales con las linternas era demasiado grande comparado con el tiempo que tardaba en viajar la luz de un punto a otro. O bien la velocidad de la luz en muchísimo mayor que la velocidad de reacción en las señales o bien la luz tiene una velocidad infinita (recordar que es lo mismo que decir que es instantánea). Galileo prefirió pensar que la luz era muy rápida.

Pocos años después, en 1676 y gracias al telescopio perfeccionado por Galileo, el astrónomo danés Ole Rømer se dio cuenta que existía un discordancia en el tiempo que tardaba en pasar Jupiter por delante de su satélite Ío (un eclipse jupiteriano) según la epoca del año. Cuando la Tierra estaba más cerca de Júpiter Io tardaba 42,5 horas en girar alrededor de Júpiter. 6 meses después existía una diferencia entre los cálculos de giro de Io y lo que se observaba. Ya que la Tierra, en su giro alrededor del Sol se había separado de Júpiter. el danés pensó que el retraso se debía a lo que la luz tarda en recorrer esa distancia hasta la Tierra. Total 22 minutos. Christian Huygens completó los cálculos con distancias y dio a la luz una velocidad de 220.000 km/s.

Io visto desde el Voyager

En 1849, los físicos franceses Hippolyte Fizeau y Léon Foucault idearon un aparato para medir la velocidad de la luz mediante una serie de espejos, uno de ellos giratorio. Se basaba en dividir un rayo de luz en dos, hacerlos recorrer distancias diferentes a cada rayo y luego compararlos. Conociendo la velocidad de rotación y las distancias entre espejos, Fizeau fijó la velocidad de la luz en 313.000 km/s. Luego Foucault perfeccionó el dispositivo ajustando el resultado a 298.000 km/s.

Con un aparato también basado en espejos giratorios Albert A. Michelson volvió en 1922 a la idea de Galileo de hacer mediciones lejanas entre montañas. Con sus espejos situados entre el Monte Wilson y el Monte San Antonio, distantes unos 40 km y tras 4 años haciendo mediciones muy muy exactas de distancias obtuvo un valor para la luz de 299.796±4 km/s. Lástima que después de tantos esfuerzos en medir con la máxima exactitud la distancia entre las montañas, un terremoto las alteró, comprometiendo los resultados.

Michelson

Actualmente la velocidad de la luz se ha precisado en 299.792,458 km/s en el vacío. Einstein, en su Relatividad Especial, le asignó la letra “c” a la velocidad de la luz y postuló ya dijo que la luz siempre iría a esa velocidad, ni más lento ni más rápido. Siempre... en el vacío.

Hay una forma de “frenar” a la luz. Y es hacerla pasar por un medio que no sea “vacío”. Por ejemplo, en el aire “c” es 299.705,54 km/s, en el agua 224.900,57 km/s, en el diamante 124.034,94 km/s ...

Incluso es posible hacer que la luz vaya más lenta que nosotros en coche, pongamos a 60 km/h. Existe un estado de la materia llamado “condensado de Bose-Einstein” que se consigue cuando un gas como el metano es enfriado hasta casi el cero absoluto (el cero absoluto está más de 273 ºC por debajo del 0 de nuestros termómetros caseros). En esas condiciones una gran cantidad de átomos se encuentra en forma de mínima energía posible (o mejor dicho, están todo lo quietos posible que permite el principio de indeterminación).

Algo parecido le ocurre al hielo donde sus moléculas están bastante quietas comparado con el agua líquida con sus moléculas moviéndose mucho más vigorosamente. Si el hielo lo enfriamos más, las moléculas estarán aun más quietas. Así hasta cerca del cero absoluto. Las moléculas de agua superhelada estarían muy muy quietas. Eso es un estado de minima energía. Haciendo eso con un gas obtendríamos un condensado Bose-Einstein.

Pues bien. Un condensado Bose-Einstein tiene unas extrañas propiedades. Toda la masa macroscópica (eso significa que se ve a simple vista) de átomos superenfriados se comporta como un solo átomo. Además tiene superconductividad (no presenta resistencia a la electricidad) y super fluidez (su viscosidad es cero). Y en 1999 la física danesa Lene Hau midió la velocidad de un rayo de luz dentro de un condensado y su resultado fue de 17 m/s. Esa velocidad se alcanza con un ciclomotor.

¿Que te parece?

Una última cosa sobre la luz. ¿Queréis medir su velocidad en vuestra casa? Se puede hacer en vuestra cocina y en pocos pasos.

Primero acercaros a una tienda de chuches y comprar una bolsita de ositos, otra de dentaduras, otra de nubes y unos cuantos regalices. En el microondas colocar un regaliz sobre el plato. Es importante que consigáis que no gire el plato (en el mio puedo quitarle unas rueditas). Encender el microondas a baja potencia unos segundos. El efecto de las microondas sobre el regaliz hará que éste se curve en varios sitios. Medir la distancia entre las curvas. Y luego dale la vuelta al microondas y encuentra la etiqueta de sus características. Los microondas emiten ondas a una frecuencia determinada que hace vibrar a las moléculas de agua (y eso es calor). La frecuencia está descrita en la etiqueta posterior. Toma nota del valor. El mio tiene una frecuencia de 2450 Mega Hercios (un hercio es una vibración por segundo. Un mega hercio son un millón de vibraciones por segundo).

Pues resulta que:

Distancia entre curvas del regaliz x Frecuencia del microondas x 2.000.000 = c

Es decir, podemos deducir la velocidad de la luz en el aire con un regaliz y un microodas.

Güay, eh? Y como es eso? Podéis conocer la razón, incluidas fotos del proceso, en en esta entrada del blog “Cuaderno de bitácora estelar” que es de donde la he consultado.

Y el resto de las chuches son para saborear el triunfo. Adios Edison.

SALUT I LLUMMMMMMMMMMMM!!