Fizeau y Foucault… y ¡se midió la luz!

Fizeau y Foucault

Fizeau y Foucault fueron esenciales en el estudio de la luz / DA

Para la física actual la velocidad de la luz significa un límite que no puede ser superado. Para la ciencia ficción, apenas es una barrera que se salta a voluntad, dependiendo de la imaginación del guionista. Pero, ¿por qué nos resulta tan sorprendente y misterioso todo lo relacionado con la luz?

Atendiendo a su rigurosa definición, el concepto de luz visible se define como una onda electromagnética compuesta por fotones, cuya frecuencia y energía determinan la longitud de onda de un color que puede ser percibido por el ojo humano. En otras palabras, la luz es una forma de energía capaz de provocar cambios en los cuerpos. Así, por ejemplo, nuestra piel y la de muchos animales cambia de color cuando se expone a la luz solar. También es una importante fuente de energía para las plantas, que la utilizan para fabricarse el alimento. Su principal característica es su doble naturaleza: ondulatoria cuando se propaga, y corpuscular (de partículas) cuando interactúa con la materia. La luz tiene la capacidad de transportarse en el vacío. Su velocidad es una constante universal, y actualmente es conocida como la constante de Einstein. Pero claro, antes de llegar a todas estas conclusiones fue necesaria muchísima observación y estudio de las interacciones de la luz.

En la antigua Grecia ya se empezaron a preguntar sobre los fenómenos relacionados con la luz. El filósofo presocrático y político Empédocles (495 – 430 a.C.), padre de la teoría de las cuatro raíces, consideraba que Afrodita había hecho el ojo humano a partir de los cuatro elementos vitales y había encendido el fuego que hacía posible la visión. Más allá de la leyenda, Empédocles, consideraba que había una interacción entre los rayos que salían de los ojos y los rayos procedentes de fuentes luminosas como el Sol.

Dentro de la Grecia clásica quizás fuera Euclides el que más avanzó en el estudio de la luz y de la óptica. Euclides, en su tratado Óptica, realiza un estudio matemático de la luz, elaborando postulados importantes, relativos a la naturaleza de la luz y afirmando que la luz viaja en línea recta. Además, Euclides describe las leyes de la reflexión y las estudia desde el punto de vista matemático. Dentro de los científicos griegos, en relación al estudio de la luz, cabe destacar a Herón de Alejandría, el cual formuló el principio de que la luz recorre el camino más corto entre dos puntos, y a Claudio Ptolomeo que realizó un exhaustivo estudio de las propiedades de la luz.

En un salto cronológico de casi 1.000 años, nos encontramos con un personaje muy relevante: Alhazen. Alhazen fue un científico árabe que vivió aproximadamente entre los siglos X y XI de nuestra era, y que desarrolló un importante trabajo en óptica además de en otras disciplinas (astronomía, física, etc.). Alhazen fue uno de los primeros en afirmar que la vista es consecuencia de la incidencia de la luz en el ojo y no debida a un rayo que sale del ojo hacia los objetos visionados (tal y como afirmaba la tradición ptoloméica). Alhazen consideraba la luz como flujos de pequeñas partículas que se reflejaban sobre los objetos y viajaban en línea recta hasta el ojo. Además, postuló que la luz viaja a una gran velocidad pero no infinita, y afirmó que la refracción de la luz está causada por la diferencia en la velocidad de propagación de la luz entre los distintos medios.

Seis siglos más tarde, a comienzos del siglo XVII, surge una figura clave en la historia de la luz: Johannes Kepler. Kepler realizó un considerable trabajo matemático en relación con la óptica, derivando la primera teoría matemática relativa a la cámara oscura. Kepler elaboró hipótesis acertadas sobre el funcionamiento del ojo humano, y determinó la relación entre la intensidad observada de una fuente luminosa y la distancia a dicha fuente. Sin embargo, Kepler se equivocó al considerar que la velocidad de la luz era infinita.

En pocos párrafos y muchos siglos de historia, desde Empédocles, se pueden resumir muy brevemente diferentes avances en el estudio de la luz y en la posibilidad de determinar su velocidad. Sin embargo, la primera medida acertada de la velocidad de la luz usando un aparato terrestre fue realizada por el físico francés Hippolyte Fizeau en 1849, gracias al perfeccionamiento del sistema de la reflexión mediante espejos propuesto por Galileo Galilei. El experimento consistió en lo siguiente: un rayo de luz se dirigía a un espejo a cientos de metros de distancia. En su trayecto desde la fuente hacia el espejo, el rayo pasaba a través de un engranaje rotatorio. A cierto nivel de rotación, el rayo pasaba a través de un orificio en su camino de salida y, en otro, en su camino de regreso. Pero en niveles ligeramente menores, el rayo se proyectaría en uno de los dientes y no pasaría a través de la rueda. Conociendo la distancia hacia el espejo, el número de dientes del engrane y el índice de rotación, se podría calcular la velocidad de la luz. Fizeau reportó la velocidad de la luz como 313.000 km/s. El físico francés Léon Foucault profundizó en la mejoras del método de Fizeau al reemplazar el engranaje con un espejo rotatorio. El valor estimado por Foucault, publicado en 1862, fue de 298.000 km/s. Los resultados de los experimentos de Fizeau y Foucault fueron fundamentales en el desarrollo de la electrodinámica de los medios de comunicación en movimiento.

No obstante, no es hasta 1926 cuando el físico Albert A. Michelson utiliza espejos rotatorios para medir el tiempo que tardaba la luz en hacer un viaje circular desde la montaña Wilson a la montaña San Antonio, en California. Las medidas exactas mostraron una velocidad de 299.796 km/s. Empleando rayos láser el método puede refinarse aún más este dato, estimándose actualmente la velocidad de la luz en 299.792,458 km/s. Este valor fue utilizado como patrón natural para definir el metro, considerándolo como un estándar de la longitud en el trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299.792.458 segundos. Datos empíricos que demuestran que el ingenio y capacidad del hombre siempre han sido dos motores vitales para satisfacer su curiosidad científica.

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