En 1850, Léon Foucault utilizó un espejo giratorio para realizar una medición diferencial de la velocidad de la luz en el agua en comparación con su velocidad en el aire. En 1862, utilizó un aparato similar para medir la velocidad de la luz en el aire.
En 1834, Charles Wheatstone desarrolló un método que consistía en utilizar un espejo que giraba rápidamente para estudiar fenómenos transitorios, y aplicó este método para medir la velocidad de la electricidad en un cable y la duración de una chispa eléctrica. [1] Comunicó a François Arago la idea de que su método podía adaptarse al estudio de la velocidad de la luz.
El período comprendido entre principios y mediados del siglo XIX fue un período de intenso debate sobre la naturaleza de la luz como partícula y como onda. Aunque la observación de la mancha de Arago en 1819 puede haber parecido resolver la cuestión definitivamente a favor de la teoría ondulatoria de la luz de Fresnel , varias preocupaciones siguieron pareciendo ser abordadas de manera más satisfactoria por la teoría corpuscular de Newton. [2] Arago amplió el concepto de Wheatstone en una publicación de 1838, sugiriendo que una comparación diferencial de la velocidad de la luz en el aire frente a la del agua serviría para distinguir entre las teorías de la luz como partícula y como onda.
Foucault había trabajado con Hippolyte Fizeau en proyectos como el uso del proceso del daguerrotipo para tomar imágenes del Sol entre 1843 y 1845 [3] y la caracterización de las bandas de absorción en el espectro infrarrojo de la luz solar en 1847. [4] En 1845, Arago sugirió a Fizeau y Foucault que intentaran medir la velocidad de la luz. Sin embargo, en algún momento de 1849, parece que los dos tuvieron una pelea y se separaron. [5] : 124 [3] En 1848-49, Fizeau utilizó, no un espejo giratorio, sino un aparato de rueda dentada para realizar una medición absoluta de la velocidad de la luz en el aire.
En 1850, Fizeau y Foucault utilizaron dispositivos de espejo giratorio para realizar medidas relativas de la velocidad de la luz en el aire frente al agua.
Foucault contrató a Paul-Gustave Froment para construir un aparato de espejo rotatorio [6] en el que dividió un haz de luz en dos haces, uno de los cuales pasó a través del agua mientras el otro viajaba a través del aire. El 27 de abril de 1850, [5] : 127 confirmó que la velocidad de la luz era mayor a medida que viajaba a través del aire, lo que aparentemente validó la teoría ondulatoria de la luz. [3] [Nota 1]
Con la bendición de Arago, Fizeau contrató a LFC Breguet para construir su aparato. Lograron su objetivo el 17 de junio de 1850, siete semanas después de Foucault. [5] : 129
Para alcanzar las altas velocidades de rotación necesarias, Foucault abandonó el mecanismo de relojería y utilizó un aparato alimentado a vapor cuidadosamente equilibrado diseñado por Charles Cagniard de la Tour . Foucault utilizó originalmente espejos de estaño y mercurio, sin embargo, a velocidades superiores a 200 rps, la capa reflectante se rompía, por lo que pasó a utilizar nuevos espejos de plata. [5] : 126–127
En 1850, Léon Foucault midió las velocidades relativas de la luz en el aire y el agua. El experimento fue propuesto por Arago, quien escribió:
Dos puntos radiantes colocados uno cerca del otro y sobre la misma vertical brillan instantáneamente delante de un espejo giratorio. Los rayos del punto superior llegan a este espejo sólo pasando a través de un tubo lleno de agua; los rayos del segundo punto llegan a la superficie reflectante sin haber encontrado en su recorrido otro medio que el aire... [S]upongan que el espejo, visto desde el lugar que ocupa el observador, gire de derecha a izquierda. ¡Pues bien! Si la teoría de la emisión es verdadera, si la luz es materia, el punto más alto parecerá a la izquierda del punto inferior; por el contrario, aparecerá a su derecha si la luz resulta de las vibraciones de un medio etéreo.
[6]
El aparato (Figura 1) implica que la luz pase a través de la rendija S , se refleje en un espejo R y forme una imagen de la rendija en el espejo estacionario distante M . Luego, la luz pasa de nuevo al espejo R y se refleja de nuevo en la rendija original. Si el espejo R está estacionario, la imagen de la rendija se reformará en S .
Sin embargo, si el espejo R está girando, se habrá movido ligeramente en el tiempo que tarda la luz en rebotar de R a M y viceversa, y la luz se desviará de la fuente original en un ángulo pequeño, formando una imagen al costado de la rendija. [8]
Foucault midió la velocidad diferencial de la luz a través del aire y del agua utilizando dos espejos distantes (Figura 2). Colocó un tubo de agua de 3 metros delante de uno de ellos. [5] : 127 La luz que pasa a través del medio más lento tiene su imagen más desplazada. Al enmascarar parcialmente el espejo que atraviesa el aire, Foucault pudo distinguir las dos imágenes superpuestas una sobre otra. [5] : 127 Descubrió que la velocidad de la luz era menor en el agua que en el aire.
Este experimento no determinó las velocidades absolutas de la luz en el agua o el aire, sino sólo sus velocidades relativas. La velocidad de rotación del espejo no pudo medirse con la suficiente precisión para determinar las velocidades absolutas de la luz en el agua o el aire. Con una velocidad de rotación de 600-800 revoluciones por segundo, el desplazamiento fue de 0,2 a 0,3 mm. [5] : 128–129
Guiado por motivaciones similares a las de su ex compañero, Foucault en 1850 estaba más interesado en resolver el debate partícula versus onda que en determinar un valor absoluto preciso para la velocidad de la luz. [2] [Nota 2] Sus resultados experimentales, anunciados poco antes de que Fizeau anunciara sus resultados sobre el mismo tema, fueron vistos como "clavar el último clavo en el ataúd" de la teoría corpuscular de la luz de Newton cuando mostró que la luz viaja más lentamente a través del agua que a través del aire. [9] Newton había explicado la refracción como una atracción del medio sobre la luz, lo que implica una mayor velocidad de la luz en el medio. [10] La teoría corpuscular de la luz quedó en suspenso, completamente eclipsada por la teoría ondulatoria. [Nota 3] Este estado de cosas duró hasta 1905, cuando Einstein presentó argumentos heurísticos de que en diversas circunstancias, como cuando se considera el efecto fotoeléctrico , la luz exhibe comportamientos indicativos de una naturaleza de partícula. [12]
Por sus esfuerzos, Foucault fue nombrado caballero de la Legión de Honor y en 1853 recibió un doctorado de la Sorbona. [5] : 130
En el experimento de Foucault de 1862, deseaba obtener un valor absoluto preciso para la velocidad de la luz, ya que su preocupación era deducir un valor mejorado para la unidad astronómica . [2] [Nota 4] En ese momento, Foucault estaba trabajando en el Observatorio de París bajo la dirección de Urbain le Verrier . Le Verrier creía, basándose en extensos cálculos de mecánica celeste, que el valor de consenso para la velocidad de la luz era quizás un 4% demasiado alto. Las limitaciones técnicas impidieron a Foucault separar los espejos R y M por más de unos 20 metros. A pesar de esta longitud de trayectoria limitada, Foucault pudo medir el desplazamiento de la imagen de la rendija (menos de 1 mm [13] ) con considerable precisión. Además, a diferencia del caso del experimento de Fizeau (que requería medir la velocidad de rotación de una rueda dentada de velocidad ajustable), podía girar el espejo a una velocidad constante, determinada cronométricamente. La medición de Foucault confirmó la estimación de le Verrier. [5] : 227–234 Su cifra de 1862 para la velocidad de la luz (298000 km/s) estaba dentro del 0,6% del valor moderno. [14]
Como se ve en la Figura 3, la imagen desplazada de la fuente (rendija) está en un ángulo de 2 θ desde la dirección de la fuente. [8]
En la Figura 1 se puede observar que Foucault colocó el espejo giratorio R lo más cerca posible de la lente L para maximizar la distancia entre R y la rendija S. A medida que R gira, una imagen ampliada de la rendija S recorre la superficie del espejo distante M. Cuanto mayor es la distancia RM, más rápidamente recorre la imagen el espejo M y menos luz se refleja. Foucault no podía aumentar la distancia RM en su disposición óptica plegada más allá de unos 20 metros sin que la imagen de la rendija se volviera demasiado tenue para medirla con precisión. [7]
Entre 1877 y 1931, Albert A. Michelson realizó múltiples mediciones de la velocidad de la luz. Sus mediciones de 1877-79 se realizaron bajo los auspicios de Simon Newcomb , que también estaba trabajando en la medición de la velocidad de la luz. La configuración de Michelson incorporó varias mejoras en la disposición original de Foucault. Como se ve en la Figura 4, Michelson colocó el espejo giratorio R cerca del foco principal de la lente L ( es decir , el punto focal dados los rayos de luz paralelos incidentes). Si el espejo giratorio R estuviera exactamente en el foco principal, la imagen en movimiento de la rendija permanecería sobre el espejo plano distante M (igual en diámetro a la lente L) mientras el eje del haz de luz permaneciera sobre la lente, esto siendo así independientemente de la distancia RM. Michelson pudo así aumentar la distancia RM a casi 2000 pies. Para lograr un valor razonable para la distancia RS, Michelson utilizó una lente de distancia focal extremadamente larga (150 pies) y comprometió el diseño colocando R unos 15 pies más cerca de L que el foco principal. Esto permitió una distancia RS de entre 28,5 y 33,3 pies. Utilizó diapasones cuidadosamente calibrados para controlar la velocidad de rotación del espejo R alimentado por turbina de aire, y normalmente medía desplazamientos de la imagen de la rendija del orden de 115 mm. [7] Su cifra de 1879 para la velocidad de la luz, 299 944 ± 51 km/s, estaba dentro de aproximadamente el 0,05 % del valor moderno. Su repetición del experimento en 1926 incorporó aún más refinamientos como el uso de espejos giratorios con forma de prisma poligonal (que permiten una imagen más brillante) que tienen de ocho a dieciséis facetas y una línea de base de 22 millas estudiada con una precisión de fracciones de partes por millón. Su cifra de 299 796 ± 4 km/s [15] era solo unos 4 km/s más alta que el valor aceptado actualmente. [14] El intento final de Michelson de 1931 de medir la velocidad de la luz en el vacío se vio interrumpido por su muerte. Aunque su experimento fue completado póstumamente por F. G. Pease y F. Pearson, varios factores intervinieron en contra de una medición de máxima precisión, incluido un terremoto que alteró la medición de referencia. [16]
Dos puntos rayos colocados junto al otro y sobre la misma vertical brillan instantáneamente frente a un espejo giratorio. Los rayos del punto superior no pueden llegar a este espejo cuando atraviesan un tubo lleno de agua; Los rayos del segundo punto atteignent la superficie reflejada sin tener que encontrarla en su curso fuera del entorno que el aire. Para arreglar las ideas, suponemos que el espejo, vu del lugar que ocupa el observador, tourne de droite à gauche. Eh bien! si la teoría de la emisión es vraie, si la luz es una matière, el punto más élevé semblera à gauche du point inférieur; il paraîtra à sa droite, au contraire, si la lumière résulte des vibrators d'un milieu éthéré.
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