En las distancias cortas, la luz no revelaba su velocidad

Annia Domènech

¿Es la velocidad de la luz infinita? Lo parece, pues cuando observamos un objeto creemos verlo instantáneamente. Hasta el siglo XVII los investigadores estaban mayormente de acuerdo con esa impresión del ojo humano, y no creían tener nada que medir.

En disonancia con esa creencia general, compartida por sabios de la talla de Descartes, hubo visionarios como Empedocles de Agrigento en la Antigüedad e Ibn al Hazen en el siglo XXI que consideraron que la propagación de la luz es un fenómeno que requiere tiempo. Su propuesta conceptual, pues no se basaba en ningún experimento, tardó siglos en ser demostrada: determinar no sólo que la luz se desplaza a una velocidad finita sino también medirla no se logró hasta el siglo XIX. Se hizo usando distancias para deducir, a partir del tiempo que tarda la luz en recorrerlas, a qué velocidad avanza.

En la primera mitad del siglo XVII, Galileo, constató que la luz se desplaza más rápidamente que el sonido: «el flash de una explosión de artillería llega a nuestros ojos sin lapso temporal, en cambio el sonido lo hace tras un intervalo». El sabio italiano realizó experimentos para intentar determinar que la luz no se recibía de forma inmediata independientemente de la lejanía de su origen. El tiempo transcurrido entre que él destapaba su linterna y veía la de su colaborador respondiéndole, posicionado a aproximadamente 1,5 km, le pareció nulo: la distancia no era suficiente. Sin embargo, escribió: «Si la aparición de la luz opuesta no es instantánea, como mínimo es extremadamente rápida, casi inmediata».

En el siglo XVII, para conseguir que la luz recorría un trayecto lo bastante largo, de modo que se pudiera ver si su velocidad era o no infinita, había que estudiar una radiación que procediera de muy lejos: desde el espacio. Dominique Cassini y Ole Roemer fueron los primeros en deducir, correctamente, que la luz no se traslada instantáneamente. Lo hicieron de un modo casual: mientras se dedicaban al estudio del sistema de Júpiter y sus satélites observaron que el eclipse que provocaba la sombra del planeta sobre su luna lo llegaba tarde respecto al horario previsto cuando en el curso de sus órbitas respectivas el planeta y la Tierra estaban más alejados, y con adelanto cuando estaban más próximos. Interpretaron que la luz procedente de lo (reflejada del Sol, pues los cuerpos no estelares no generan radiación) requería un tiempo para desplazarse. Esta explicación, cuya conclusión era cierta (la velocidad de la luz no es infinita) era, sin embargo, simplista, puesto que en ese fenómeno influye el movimiento relativista entre la Tierra y Júpiter, y no sólo su distancia. La explicación de Cassini y Roemer fue aceptada por los científicos de la época, como Newton, quien escribió en sus Principia que la luz se transmitía y que requería 7 u 8 minutos para llegar desde el Sol a la Tierra, lo que coincide aproximadamente con la realidad.

Con el objetivo de calcular el valor de la velocidad de la luz, llamada c, Christiaan Huygens, dividió la distancia entre la Tierra y el Sol (la llamada unidad astronómica) por el tiempo que tardaba la luz en llegar desde la estrella hasta el planeta, y obtuvo como resultado 230.000 km/s. No estaba demasiado alejado de la realidad (300.000 km/s) considerando que los valores que utilizó para su trabajo eran imprecisos. La unidad astronómica se obtenía desde dos lugares distintos del planeta. Para que la distancia Sol-Tierra fuera correcta, requería medidas exactas tanto del radio terrestre como de las distancias entre los dos puntos donde se realizaban las mediciones, de las que no se disponía.

Ya en el siglo XVIII, James Bradley se dio cuenta de que la dirección aparente de la radiación procedente de las estrellas dependía del movimiento de la Tierra en el curso de su órbita alrededor del Sol, fenómeno que se conoce con el nombre de aberración. Relacionando la velocidad de la Tierra con el ángulo que indicaba el desplazamiento aparente de una estrella sobre el firmamento, calculó la velocidad de la luz: 295.000 km/s (183.000 millas/s).

La ignorancia de la distancia real al Sol continuaba siendo un problema. François Arago, director del Observatorio de París, a partir de estimaciones más correctas de la misma realizadas durante los tránsitos de Venus delante de la estrella, calculó una velocidad para la luz de 308.300 km/s.

Pero a partir del siglo XIX se volvió, en cierto modo, a los orígenes, a Galileo, pues se diseñaron experimentos terrestres, «de laboratorio», para encontrar la velocidad de la luz. Se dilataba su recorrido utilizando ingenios que, además, tenían en cuenta parámetros de tiempos y distancias. Hasta obtener el valor aceptado actualmente de 299.792,458 m/s el camino ha sido largo, sobre todo el que se le ha hecho recorrer a la luz para poder saber a cuánto se desplaza, pues en las distancias cortas se niega a revelar esta información.

Observando las maquetas de los instrumentos ideados por Hyppolite Fizeau, Léon Foucault o Alfred Cornu, entre otros, muestran hasta qué punto estimulaba su imaginación responder a la pregunta.

El primero en lograr medir la velocidad de la luz en el aire fue Fizeau en 1849. Para ello enfocó el haz luminoso hacia una rueda dentada en rotación rápida. Sus «dientes» escondían y dejaban pasar alternadamente el haz, que era reenviado de vuelta por un espejo. Se trataba de ver si, cuando lograba pasar, el haz de luz podía regresar por el mismo espacio entre dos dientes, lo que significaría que la rueda no había tenido tiempo de rotar significativamente. A partir de este experimento, conociendo el número de veces por segundos que giraba la rueda. Fizeau calculó una velocidad de 315.300 km/s para la luz.

Su rival en esta investigación, Foucault, utilizó en lugar de una rueda dentada un espejo giratorio. Cuando el haz de luz se reflejaba en una posición determinada del espejo, éste lo dirigía hacia otro espejo más alejado, el cual lo reenviaba hacia el espejo giratorio, que ya había tenido tiempo de girar un poco. Entonces se medía la posición del haz de luz saliente, que informaba sobre cuánto había girado el espejo en el tiempo necesario para que la radiación hiciera el camino de ida y vuelta. Conociendo la velocidad de rotación del espejo, se calculaba la de la luz. Con este método perfeccionado, Foucault obtuvo en 1862 un valor de 298.000 km/s para la velocidad de la luz.

Cornu rehízo en 1872 el experimento de Fizeau pero con una rueda que no giraba a velocidad constante, y sus cálculos dieron como resultado 298.500 km/s. El valor «definitivo» de la velocidad de la luz, fue obtenido por Albert A. Michelson en 1924-26 utilizando la técnica del espejo girado pero aumentando significativamente la distancia que tenía qie recorrer el haz hasta 35 kilómetros (entre dos montes), un modo de mejorar la precisión: 299.796 km/s en el vacío, utilizando durante varias décadas.

De hecho, se acerca mucho al valor constante internacionalmente aceptado para la velocidad de la luz en el vacío, de 299.792.458 m/s, medido en los años 70 utilizando láseres infrarrojos. Tan preciso que utilizó en los años ochenta para redefinir la unidad de longitud del metro: el trayecto recorrido por la luz en el vacío en 1/299.792 segundos. Hoy en día se han invertido los cálculos, y sistemas de localización como el Radar o el GPS utilizan la velocidad bien establecida de la luz para posicionar objetos.