La no relatividad de la velocidad de la Luz
Introducción
La física relativista sostiene que tanto el espacio como el tiempo tienen valores dependientes del sistema de referencia en las que se están midiendo; pero la velocidad de la luz en el vacío no varía, siempre es la misma en cualquier sistema de referencia.
Este “dogma” de la teoría de la relatividad se basa en experimentos físicos de medición de la velocidad de la luz, por tanto tiene una consistencia probada además, con otras consecuencias físicas de esta teoría tales como la diferencia de mediciones de tiempo de los relojes y la curvatura de la luz frente a la fuerza de gravedad.
Sin embargo, para el sentido común de las personas, cuesta aceptar que la velocidad de la luz no varíe en los sistemas de referencia, y sí lo hagan el tiempo y el espacio, los cuales sí parecieran tener valores absolutos; es decir muchos preferiríamos aceptar que la luz puede tener distintos valores de velocidad si lo hemos medido de sistemas referenciales que están con una velocidad relativa diferenciada; que aceptar que el tiempo transcurra diferente para una persona que otra cuando se encuentran en distintos sistemas referenciales.
El objetivo de este ensayo es mostrar de manera sencilla, que sí tiene sentido hablar del carácter absoluto de la velocidad de la luz, y por qué, a diferencia de las velocidades mecánicas de los cuerpos, la luz no varía en los diferentes sistemas de referencia inerciales.
La relatividad de las velocidades de los cuerpos
En cierta ocasión quedé sorprendido al ver la gran velocidad con la que cruzaba un helicóptero en el aire que venía en sentido contrario al helicóptero en el que yo viajaba; nosotros estamos acostumbrados a ver a un helicóptero en el cielo a una velocidad moderada, lenta comparada con un avión; y si estamos volando dentro del helicóptero también nos parece lento por que vemos que los objetos de la tierra pasan lentamente; sin embargo la velocidad del helicóptero es relativamente alta comparado con los automóviles por ejemplo. Cuando se tiene esa rara experiencia de cruzarse en el aire con otro helicóptero que va en sentido contrario recién sacamos la cuenta de la velocidad a la que estamos viajando. Pero además, la velocidad a la que vemos venir al otro helicóptero es el doble de la que realmente tiene, por que le estamos añadiendo la velocidad de nuestro propio helicóptero. Si nuestro helicóptero iba a 300 Km/hr y el otro venía a 250 Km/hr, lo que observamos es que el helicóptero se acerca al nuestro a 550 Km/hr.
Cualquier experiencia de este tipo nos demuestra que la velocidad de los objetos es relativa, depende del sistema de referencia con la que se está midiendo.
Sin embargo, ¿por qué la luz se escapa a esta regla?, ¿por qué en las mediciones que se hace acercándonos a una fuente de luz la velocidad de la luz es igual que cuando la medimos alejándonos de una fuente de luz?.
Midiendo la velocidad de un objeto que se desplaza sobre un piso
Tenemos el siguiente experimento:
Un hombre mide la velocidad de un carrito que parte desde un poste que se encuentra a una distancia “d” de la persona, el tiempo mide de acuerdo a lo registrado en dos relojes sincronizados que marcan la partida del carrito y la llegada donde se encuentra el hombre, el primer reloj junto al poste registra la hora de partida, el segundo reloj junto al hombre registra la llegada del carrito.
De acuerdo a la figura, la persona medirá la velocidad del carrito dividiendo el espacio recorrido entre el poste (punto de partida) y él mismo, entre el tiempo t que es la diferencia de tiempo de los relojes 2 y 1 que están sincronizados.
t = Hora Reloj 2 – Hora Reloj 1
v = d/t
Si hacemos que la persona está sobre un patín con una velocidad v1:
En este caso la persona medirá una velocidad al carrito de v + v1.
Lo que la persona asume es que, no obstante él está en movimiento, asume que él es la referencia, por tanto, lo que se mueve es el piso y él está estático, toma el tiempo de inicio de su reloj desde su posición inicial ( a “d” mts. del poste) que es la hora de inicio de la partida del carrito, transcurrido un tiempo t1 se encontrará con el carrito, habiendo recorrido una distancia d1; por otro lado el carrito habría recorrido una distancia d2 en el mismo tiempo t1.
La velocidad del patín del hombre es:
v1 = d1/t1
Pero para el hombre la distancia recorrida por el carrito es “d” por que asume que el piso es lo que se mueve y nó él, por tanto la velocidad que mide al carrito es:
v2 = d/t1
es decir:
v2 = (d2 + d1)/t1 = d2/t1 + d1/t1
Pero: d2/t1 es la velocidad del carro que sabemos que es “v”.
Por tanto:
v2 = v + v1
Es decir el hombre medirá una velocidad aparente del carrito igual a v+v1
Para poder explicar mejor este hecho podemos modificar nuestro dibujo:
En lugar de hacer que la persona esté patinando sobre una plataforma acercándose al poste de donde partió el carrito, hacemos que la plataforma sea la que se acerca a la persona con una velocidad v1 y que la persona tome como referencia el piso que se encuentra debajo de la plataforma por sobre la cual rueda la plataforma ( y la persona está estática respecto a la flecha dibujada en el piso) .
En este caso es fácil de ver que la persona medirá que el carrito avanza con una velocidad mayor v, porque como se encuentra sobre una plataforma que a su vez se mueve con una velocidad v1, el carrito se moverá con una velocidad v + v1.
La luz no se arrastra sobre el piso
Si trasladamos ese experimento, cambiando al carrito por una pequeña onda de luz
Considerando que la fuente que emitió la onda de luz fue el poste en el instante inicio del reloj 1, vemos que no hay por qué sumar la velocidad de la plataforma v1 con v, por que la luz no se está arrastrando sobre la plataforma, por tanto no tiene por qué ser influenciada por la velocidad de ésta. La velocidad de la luz, en este caso será igual a la que la persona haya medido en el sistema donde estaba sin patines.
Un proyectil no tiene velocidad absoluta
Con el ejemplo anterior queda claro que la velocidad de la luz no tiene por qué variar al medírsela en dos referencias que tiene una velocidad v1 entre sí. Pero podríamos objetar las conclusiones de este experimento y decir que si la luz no se arrastra tampoco lo hace un proyectil disparado, y en este caso la velocidad del proyectil (recordemos el caso de los helicópteros que se cruzan ) , tampoco debería cambiar en diferentes sistemas referenciales inerciales.
En el siguiente ejemplo se desprecia la componente vertical de caída libre del cuerpo y asumimos un movimiento horizontal.
En realidad, en este caso, si la velocidad “v” es la que tuvo el proyectil en el sistema referencial en el que la persona estaba sin patines, en este nuevo sistema referencial la velocidad será de v + v1, por que al momento de ser disparado el impulso natural es de “v” pero como estamos considerando que el poste se mueve a una velocidad ”v1” éste le añade un impulso de v1 al proyectil , logrando moverse a v + v1. En efecto, nosotros sabemos que en realidad el observador está avanzando en patines hacia el poste y que el proyectil no ha sido impulsado mas que con “v”, pero como estamos considerando que el observador está inerte en otro sistema de referencia, éste observará que las leyes mecánicas de transmisión de cantidad de movimiento o energía cinética se debe cumplir para el poste y el proyectil, de tal manera que verá que el proyectil tiene una velocidad “v + v1” por que el poste le ha dado un impulso adicional
Luego, ¿por qué no podemos hablar de un impulso adicional también a la emisión de la luz?. Es que en este caso la luz no es un objeto mecánico, es mas bien una onda, por tanto no tenemos por qué considerar que el poste le va a añadir su velocidad a la que tiene la onda de luz.
No todas las ondas tienen velocidad absoluta
No por el hecho de que la luz sea una onda , por tanto no varía su velocidad en distintos sistemas referenciales, podemos afirmar que cualquier otra onda tiene velocidad absoluta; no es así por que las ondas mecánicas como una cuerda que vibra , ondas de agua, el sonido, etc. Se desplazan en un medio físico, por tanto pueden ser influenciados por el movimiento de éstas tal como el carrito que se arrastra; en cambio al hablar de la velocidad de la luz absoluta nos referimos a su desplazamiento en el vacío; lo cual es una manera de manifestar la no existencia del éter, el vacío es el espacio mismo, y éste tiene unas características relativas, haciendo que se estire y contraiga acomodándose a la velocidad absoluta de la luz.
En efecto , el experimento del interferómetro de Michelson y Morley trataba de demostrar la existencia del éter, sin embargo se encontró con la sorpresa de que la luz no variaba de velocidad ante la influencia del movimiento de rotación de la tierra, por tanto no podía haber tal éter.
Otra manera de manifestarse la no influencia de la velocidad del medio físico en el desplazamiento de la luz es con el concepto de momentum, para un cuerpo físico el momentum es
p= mv
donde “m” es la masa del cuerpo y “v” la velocidad de la misma, la colisión de dos cuerpos produce una alteración del momentum de los cuerpos pero se mantiene la suma de momentums total antes y después del choque, es decir:
p1 + p2 = p3 + p4
m1 x v1 + m2 x v2 = m1 x v3 + m2 x v4
donde m1 y m2 son las masas de los cuerpos, v1 y v2 sus velocidades antes del choque, v3 y v4 sus velocidades después del choque.
Pero cuando hablamos del momentum de la luz o del fotón la fórmula es:
p = h/λ
Donde h es la constante de Plank y λ la longitud de onda de la luz, es decir no interviene la velocidad de la luz.
Esto último ilustra que la transmisión de movimiento mecánico no se cumple para la luz porque su momentum tiene otra naturaleza.
La siguiente figura muestra el efecto Compton, el choque entre un fotón de luz y un electrón.
Conclusiones
Al final de cuentas, para establecer las leyes de la física, tomamos arbitrariamente puntos de partida que nos da coherencia a las explicaciones de las observaciones que se haga, decimos que la luz es de velocidad absoluta y que no hay nada mayor que ésta, por que es la manera mas coherente que explica a los fenómenos macro y microscópicos del cosmos.
Un video de este tema está en el siguinete link:
ciconcept 
Todos los experimentos hechos con la luz han sido realizados en nuestro planeta o en su órbita, ¿o me equivoco?.
¿Existe la probabilidad de que en otros espacios lejanos, la constante de Plank no sea tal (constante), y la luz tenga otra velocidad, ya sea mayor o menor?
Tengo entendido que sí, el experimento de Michelson y Morley justamente se hizo aprovechando la velocidad de rotación de la Tierra para medir la luz en una trayectoria a favor y en contra del movimiento de la Tierra. La constante de plank no creo que tenga que ver con la velocidad de la luz; la probabilidad de que en espacios lejanos la luz tenga otra velocidad es cierta, pero tal y como se ha ido desarrollando la Teoría de la Relatividad, mas probable es que el espacio y tiempo se alarguen y contraigan a que la luz cambie de velocidad; finalmente pienso que es cuestión de escoger qué modelo físico matemático conviene, hasta el momento el considerar la velocidad de la luz constante es mas coherente para explicar muchos fenómenos subatómicos y estelares.
Si la velocidad de la luz es constante, mi duda es si tomáramos como referencia dos estrellas distantes unos 4 años luz, pero pudiéramos ver una imagen de un planeta habitado en uno y otro sistema solar cruzando el Universo a través de una fibra óptica, las imágenes viajarían a la velocidad de la luz pero teniendo en cuenta la relatividad en dos planetas con gravedades y velocidades diferentes¿veríamos que uno se mueve en cámara rápida y el otro en cámara lenta? Como considera la relatividad la concepción del tiempo si existiera comunicación entre dos puntos del universo con distorsiones del espacio-tiempo diferentes?
Gracias por la pregunta, no soy físico como para tener un juicio mas preciso de la consulta, tengo una opinión al respecto. En primer lugar, obviemos el ejemplo de la fibra óptica, por que la velocidad de la luz es constante en el vacío y la fibra es un medio material; pasando por alto ésto, cierto que la gravedad distorsiona el espacio, por tanto el trayecto de la luz (se conoce ese experimento de cómo el haz de luz de una estrella se torna curvo al pasar cerca al sol en un eclipse); es cierto que veríamos a esos planetas con distintas velocidades de sus eventos por que la luz distorsiona su trayecto de línea recta debido a la gravedad. Otro concepto asociado a este tema es que Einstein menciona que no existe simultaniedad en los eventos, no hay eventos simultáneos, lo que un evento es simultáneo para un observador puede no serlo para otro; algo así sería la observación de los eventos de esos planetas.
Muy buena explicación, te agradezco.
Se podría concluir que la luz al carecer de masa no es influenciada por la velocidad de otros cuerpos?
Es una razonable explicación, la ley de la conservación del momento incluye a la masa para los cuerpos materiales, pero para la luz es su longitud de onda porque no tiene masa.
Un comentario Xavier, este tema lo «medité» durante una misa de un matrimonio al que asistí, posiblemente el ambiente y la larga ceremonia me inspiró a pensar en este tema y recrée el experimento hipotético de medir la velocidad de un móvil mientras el observador está en movimiento, el resto lo plasmé luego con mas detalle en casa.
Lo mismo que los helicópteros, si se cruzan dos luces y si el punto de observación es una de ella, la otra luz cruza a la velocidad de la luz x2
Justamente en este artículo se explica que no es así en el caso que se crucen 2 haces de luz, hay un comportamiento diferente cuando se mide la velocidad de objetos materiales (con masa) y la luz; en los objetos materiales la velocidad se altera de acuerdo al punto de referencia, en la luz no es así.
Las ondas se comportan como objetos materiales, pues se propagan en un medio que influye en su velocidad de propagación o movimiento. Pienso que se necesita poner la luz como constante para facilitar los cálculos. Además de cual tipo de ondas está conformada la luz? Además es el vacío una realidad o solo un concepto útil?
En este tema estamos considerando la velocidad de la luz en el vacío. Efectivamente la luz puede propagarse en un medio material y disminuye su velocidad. La luz es una onda electromagnética como la radio, solo que tiene frecuencia mas alta.
Respecto al vacío, éste es el espacio mismo sin contenido material; antiguas teorías sostenían que el espacio estaba lleno de un elemento invisible llamado éter; si fuera así, la velocidad de la luz no sería constante en distintos medios de referencia físicos; justamente Michelson Morley hizo mediciones de la luz esperando demostrar la existencia del éter, pero se dió con la sorpresa que la velocidad de la luz no cambiaba si se le medía a favor o en contra del movimiento de rotación de la Tierra, es decir no existe el éter.