La luz viaja en el vacío a una velocidad constante de \(\approx 299,792,458\) m/s, denotada \(c\). Esta velocidad no varía con la velocidad de la fuente emisora ni con la del observador. Esta propiedad, confirmada experimentalmente en 1887 por los trabajos de Albert Abraham Michelson (1852-1931) y Edward Morley (1838-1923), es uno de los dos postulados fundamentales de la relatividad especial (1905) de Albert Einstein (1879-1955).
En los sistemas clásicos newtonianos, las velocidades se suman. Si un tren viaja a 100 km/h y un pasajero lanza una pelota a 50 km/h, un observador en el suelo medirá 150 km/h. Pero la luz no obedece esta regla: sin importar la velocidad del tren o del objeto lanzado, la luz emitida siempre será medida a \(c\) por todos los observadores, sin importar su velocidad relativa.
Las ecuaciones de Maxwell predicen que las ondas electromagnéticas se propagan en el vacío a una velocidad dada por: \(\displaystyle c = \frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \mu_0}}\) donde \(\varepsilon_0\) es la permitividad del vacío y \(\mu_0\) su permeabilidad magnética. Estas constantes son universales, lo que impone que \(c\) también lo sea. Esta propiedad sacudió profundamente la mecánica clásica y llevó al abandono del concepto de éter.
La velocidad de la luz también representa un límite causal: ninguna información puede propagarse más rápido. Esta restricción estructura toda la causalidad de nuestro universo. Si pudiéramos exceder \(c\), aparecerían paradojas temporales, amenazando la coherencia de la física.
Los satélites GPS deben tener en cuenta el tiempo que tarda la señal de luz (ondas de radio) en recorrer la distancia Tierra-satélite (unos 20.000 km). Dado que esta transmisión está limitada por la velocidad de la luz \(c\), un error de un microsegundo resultaría en una imprecisión de posicionamiento de más de 300 metros. Sin respetar este límite de velocidad, las coordenadas GPS serían inconsistentes y no sincronizadas. Además, el sistema GPS también corrige los efectos relativistas debido a la velocidad de los satélites y la diferencia de potencial gravitacional con la superficie de la Tierra.
Incluso en el fenómeno del entrelazamiento cuántico, donde dos partículas correlacionadas parecen reaccionar instantáneamente entre sí independientemente de la distancia, ninguna información puede transmitirse más rápido que la velocidad de la luz. Esta restricción está garantizada por el teorema de no comunicación, que impide cualquier transferencia explotable de información entre dos eventos entrelazados. Así, la relatividad sigue siendo coherente: los efectos cuánticos no locales no violan la causalidad impuesta por el límite \(c\).
Al aceptar que \(c\) es la misma para todos, se hace necesario redefinir el tiempo y el espacio. El tiempo se dilata y las longitudes se contraen según la velocidad relativa, según las fórmulas: \(\displaystyle t' = \frac{t}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}, \quad L' = L \sqrt{1 - v^2/c^2}\)
Estos efectos, aunque débiles a baja velocidad, se vuelven predominantes a velocidades cercanas a \(c\).
Objeto / Marco | Velocidad (como % de \(c\)) | Dilatación del tiempo (factor \(\gamma\)) | Efecto relativista |
---|---|---|---|
Coche en autopista | \(\approx 10^{-7}\%\) | \(\gamma \approx 1.000000000000005\) | Despreciable |
Avión comercial (900 km/h) | \(\approx 0.00008\%\) | \(\gamma \approx 1.00000000003\) | Efecto medible por relojes atómicos |
Estación espacial (ISS) | \(\approx 0.00025\%\) | \(\gamma \approx 1.0000000008\) | Corregido en sistemas GPS |
Electrón en un sincrotrón | \(99.9999\%\) | \(\gamma \approx 707\) | Efectos dominantes, vitales para cálculos |
Rayos cósmicos (muones) | \(99.94\%\) | \(\gamma \approx 29\) | Permite alcanzar la superficie terrestre |
Viaje interestelar a 0.9 \(c\) | \(90\%\) | \(\gamma \approx 2.29\) | Tiempo dividido por 2.3 para el viajero |
Viaje a 0.99 \(c\) | \(99\%\) | \(\gamma \approx 7.09\) | Efectos muy visibles (tiempo ×7) |
La constancia de \(c\) permite definir las unidades fundamentales (el metro se define a partir de \(c\)), sincronizar los relojes atómicos en el GPS y medir las distancias cósmicas. Por lo tanto, es mucho más que una simple velocidad: es una propiedad estructural del espacio-tiempo.
Fenómeno | Descripción | Origen | Consecuencias experimentales |
---|---|---|---|
No aditividad de las velocidades | La luz no obedece la composición clásica de velocidades | Postulado relativista | Resultado de Michelson-Morley, constancia de \(c\) |
Dilatación del tiempo | El tiempo fluye más lentamente para un observador en movimiento | Relatividad especial | Medido con muones atmosféricos, relojes en aviones |
Contracción de longitudes | Un objeto en movimiento parece contraído en la dirección del movimiento | Relatividad especial | Confirmado indirectamente en física de partículas |
Invariancia de las leyes de la física | Las leyes de la física son las mismas para todos los observadores inerciales | Postulado fundamental | Probado con precisión por muchos dispositivos inerciales |
Fuentes: Michelson & Morley (1887), Wikipedia – Relatividad especial, NIST – Definición del metro.
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