Entre todas las reglas que gobiernan el universo, una de las más icónicas y al mismo tiempo difícil de entender es el límite de velocidad universal. La velocidad de la luz no es solo una constante inquebrantable: es el vínculo entre la materia y la energía, como Albert Einstein describió con la fórmula de la ciencia más famosa: E = Mc². Podemos mirar los cimientos de nuestra propia existencia, pero no viajar a más de «C». Solo la luz puede viajar un año ligero en un año.
Definamos constantes: la velocidad de la luz
La velocidad de la luz es la pieza clave en la ecuación de Einstein. Que «C» no es solo un número, sino el factor de conversión que une los conceptos de masa (M) y energía (E). Es una constante que representa la velocidad de la luz en el vacío, pero también el límite de velocidad para la propagación de cualquier tipo de información, señal o partícula de material en el universo. Si cree que es muy fuerte, es el límite de causalidad en sí: un efecto no puede ocurrir antes de que su causa, propagación a la velocidad «C» máxima, puede alcanzarla.
Esta velocidad es la misma para cualquier observador en el universo, independientemente de su propio estado de movimiento. Si viaja en una hipotética nave espacial del 99% de la velocidad de la luz y la luz, una linterna, la luz de esa linterna se alejará exactamente de usted exactamente a la velocidad de la luz, no a una fracción de ella. Es una de las constantes universales de la física. Y las observaciones del Fondo Cósmico de Microondas, la luz restante del Big Bang, confirman que no ha cambiado medible en más de 13.8 mil millones de años.
¿Qué velocidad es la luz, entonces? Aunque suena extraño, la velocidad de la luz en el vacío tiene un valor exacto y definido: 299,792,458 metros por segundo. Para ponerlo en figuras más terrenales, es equivalente a casi mil millones de kilómetros por hora. Un fotón de luz rodearía el Ecuador de la Tierra aproximadamente 7,5 veces en un solo segundo. Es, según la teoría especial de relatividad de Albert Einstein, el límite de velocidad definitivo e inquebrantable del universo.
Una épica sobre la medición de lo anterior
Calcular la velocidad de la luz ha sido una de las grandes sagas de la ciencia. Después de los debates filosóficos de la antigua Grecia y un intento ingenioso pero fallido de Galileo usando lámparas entre colinas distantes, la primera estimación llegó en 1676. Observando los eclipses de ío, una de las lunas de Júpiter, el astrónomo danés Ole Rømer notó que tuvieron una duración diferente según la época del año. Dedujo que se debió al tiempo adicional que la luz tomó para cruzar la órbita de la tierra cuando nuestro planeta se alejó de Júpiter. Rømer estimó la velocidad de la luz en 220,000 km/s, una cifra sorprendentemente cercana para el tiempo.
Medio siglo después, en 1728, el físico inglés James Bradley Refinó esta medida Usando un método diferente: la aberración de la luz estelar. Señaló que la posición aparente de las estrellas cambió ligeramente debido a la velocidad de la tierra en su órbita. Algo similar a cómo la lluvia parece caer en ángulo cuando corremos. A partir de este efecto, calculó una velocidad de 301,000 km/s, un valor con un error de solo 1%.
No fue sino hasta 1887 que los científicos descubrieron el aspecto más sorprendente de la velocidad de la luz. Albert Michelson y Edward Morley intentaron detectar el «éter luminoso», una mitad invisible suposición de que, según la creencia de la época, llenó el espacio para permitir la propagación de la luz. Con Tu experimento Esperaban medir una diferencia en la velocidad de la luz dependiendo de si se movía a favor o en contra del «viento éter» creado por el movimiento de la tierra. Sin embargo, no encontraron ninguna variación en absoluto.
A veces, el progreso científico no proviene de encontrar lo que se busca, sino de aceptar la evidencia que alcanza la vieja certeza. Así fue como esto falla Se convirtió en uno de los resultados más importantes en la historia de la física. Mostró que la velocidad de la luz era constante independientemente del movimiento del observador, derribando la teoría del éter y colocando las bases empíricas para la revolución que Einstein desataría más tarde.
¿Qué es un año ligero y para qué se usa para
Desde 1983, la velocidad de la luz ya no es algo que los científicos intentan medir con una precisión creciente. Su valor fue establecido con tanta precisión que ahora es el medidor en sí que se define según la luz. Un medidor es «la longitud del camino recorrido por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299792458 segundos».
Este cambio oculta una verdadera verdad: la constancia de la velocidad de la luz es una propiedad más fundamental de nuestro universo que nuestras propias unidades de medida. Ya no usamos medidores para medir la velocidad de la luz, usamos la velocidad de la luz para definir el metro. Y así es como nace una de las unidades de medida más grandes que usamos, y eso ha sido crucial para comprender las inmensas escalas del universo.
Aunque su nombre incluye la palabra «año», un año ligero no es una medida de tiempo, sino de distancia. En pocas palabras, un año ligero es la distancia que un rayo de luz viaja en el vacío durante el transcurso de un año terrestre. Es decir, en 365 días. Dada la increíble velocidad a la que viaja la luz, es una distancia astronómica, de aproximadamente 9.5 mil millones de kilómetros.
Usamos los años de luz porque las distancias en el espacio son tan grandes que medirlos en kilómetros sería totalmente poco práctico. Por ejemplo, el Exoplanet más cercano a la Tierra, Next Centauri B, está a unos 4.2 años de luz. En los kilómetros, esa cifra sería de casi 40 mil millones, un número mucho más difícil de manejar y contextualizar.
Cómo se calcula un año ligero en kilómetros
Entramos en partes. Si la velocidad de la luz es una constante universal, ¿por qué debería aclarar que «C» es la velocidad de la luz? en vacío? Porque, en realidad, una cosa no le quita al otro. La luz va más lentamente como materiales como agua (225,000 km/s) o vidrio (200,000 km/s). Esto no es una contradicción, sino el resultado de la interacción de la luz con la materia.
La luz está compuesta de partículas sin masa llamadas fotones. Individualmente, los fotones siempre viajan a 299,792 km/s. Sin embargo, cuando un haz de luz cruza un medio material, sus fotones son continuamente absorbidos y reinados por los átomos de dicho material. Cada una de estas interacciones introduce un pequeño retraso. La suma de miles de millones de retrasos hace que la velocidad efectiva de la ola de luz en su conjunto sea menor que c.
La luz también es una onda electromagnética. Al ingresar a un medio, su campo eléctrico hace que los electrones de los átomos oscilen. Estos electrones oscilantes generan, a su vez, sus propias ondas electromagnéticas. La onda original y las ondas generadas por los electrones interfieren entre sí, formando una onda combinada que se extiende más lentamente. Pero la luz viaja a una velocidad constante: su desaceleración es un efecto de cruzar un campo de átomos.
Dicho esto, el vacío del espacio no es un vacío perfecto. Hay electrones y protones libres en forma de plasma; Hay átomos y moléculas dispersos, principalmente hidrógeno y helio; Hay polvo interestelar, y también hay radiación de fondo y campos magnéticos. Pero su densidad es muy baja, lo que significa que la luz viaja a través del espacio a una velocidad muy, muy cercana a c. Para que el año ligero se calcule tomando el vacío ideal como referencia.
Un año ligero es la distancia que corre la luz en un año. Si algo estaba claro en la escuela secundaria es esa distancia = velocidad × tiempo. Por lo tanto, la distancia equivalente a un año ligero se calcula multiplicando la velocidad de la luz para el momento que dura un año terrestre:
- En números redondos, la luz se mueve a 300,000 km/sy al año es de 365 días. 365 días × 24 horas × 3600 segundos son 31.6 millones de segundos. 300,000 km/s por 31,600,000 segundos da como resultado una distancia de aproximadamente 9.5 mil millones de kilómetros.
- Tomando la velocidad exacta de la luz (299,792,458 km/s) y teniendo en cuenta los años salas (365.25 días), el resultado sería 9,460,730,472,581 km.
¿Cuánto es un año ligero en términos terrenales?
El año ligero mide distancias tan grandes que escapan de nuestro imaginario. La luz tarda unos ocho minutos en cubrir la distancia desde el sol hasta la tierra. Si en ocho minutos viaja los 150 millones de kilómetros que nos separan del sol, en una hora viajaría la misma distancia 11 veces; En un día, la distancia diaria viajaría 24 veces; Y en 365 días, acumulando todos esos viajes, 9.5 mil millones de kilómetros llegarían a los mencionados anteriormente.
Este gigantesco recorrido es lo que llamamos un año ligero. No indica tiempo, sino hasta qué tan lejos están las cosas en el cosmos. Para medir los tiempos de astronomía, continuamos usando años, días, segundos, etc., mientras que a gran distancias usamos, por mera conveniencia, años ligeros o parsecs, otra unidad astronómica.
Solo tienes que mirar el cielo nocturno para comprender la inmensidad del cosmos. Las estrellas más brillantes son docenas de años de luz. Con poca contaminación lumínica, también podemos ver a simple vista de la galaxia de Andrómeda, la más cercana a nuestra Vía Láctea, que es 2.5 millones de años luz.
La luz que nuestros ojos capturaron partieron de Andrómeda cuando el Australopithecus pobló la tierra y luego sufrió múltiples edades de hielo. En cierto sentido, mirar el cielo nocturno está mirando el pasado. Cuanto más nos vemos, más con el tiempo viajamos. De esta manera hemos visto, con nuestros telescopios más poderosos, lo que sucedió después del Big Bang.
Es imposible viajar a la velocidad de la luz
¿Puedes viajar a la velocidad de la luz? La respuesta a esta pregunta es una de las teorías más famosas de la física: la relatividad especial de Einstein. Y para explicarlo, debe volver a la fórmula icónica E = MC², que conecta la velocidad de la luz con dos conceptos muy diferentes.
Mover un objeto con masa requiere energía. A medida que aumenta la masa de un objeto, también lo hace la energía necesaria para continuar empujándola. La famosa equivalencia de Einstein entre masa y energía nos dice que la energía y la masa están intrínsecamente vinculadas.
Según la relatividad, a medida que un objeto con masa acelera y se acerca a la velocidad de la luz, su masa relativista aumenta. Para acelerar un objeto con una masa infinita, se necesitaría una cantidad infinita de energía, lo que es simplemente imposible. La velocidad de la luz funciona como el límite de velocidad cósmico definitivo.
¿Porque? Porque solo las partículas libres de masa, como los fotones, pueden viajar a esta velocidad. Al no tener masa, no enfrentan esta energía infinita y barrera de masa. Para el resto de nosotros, y para cualquier nave espacial que podamos construir, la velocidad de la luz continuará siendo un horizonte inalcanzable. Nada con masa realmente puede alcanzarla. Es el límite de velocidad del universo.
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