¿Se ha medido alguna vez la velocidad de la luz en el vacío?

Question

Según: https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background el CMB (Fondo Cósmico de Microondas) "es una débil radiación cósmica de fondo llenando todo el espacio "

También, https://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum#Outer_space dice " ninguna aspiradora es realmente perfecta ni siquiera en el espacio interestelar, donde todavía hay unos pocos átomos de hidrógeno por metro cúbico"

Y https://physics.stackexchange.com/tags/vacuum/info : "Este requisito más bien teórico es nunca se logra en la práctica porque aunque el espacio no contenga átomos / electrones / nucleones, sí contiene muchos fotones y neutrinos. Pero seguimos llamándolo vacío, como una aproximación al vacío teórico ."

Luego, en https://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_light tenemos " La velocidad de la luz en el vacío , comúnmente denotada como c, es una constante física universal importante en muchas áreas de la física. Su valor exacto es de 299.792.458 metros por segundo (aproximadamente 300.000 km/s (186.000 mi/s)). Es exacto porque por acuerdo internacional un metro se define como la longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299792458 segundos"

Dado que, al menos según Wikipedia, en la práctica el vacío no existe, y está lleno de radiación, ¿es posible medir la velocidad de la luz en el vacío? ? Además, ¿alguien ha luz observada en el vacío ¿alguna vez?

Si no es así, ¿en qué tipos de aspiradoras se ha medido la luz? ¿Existen registros al respecto?

Además, si el verdadero vacío no parece existir y está lleno de radiación (CMB), ¿realmente podemos suponer que la luz no necesita un medio para propagarse? ¿No se estaría propagando efectivamente a través de lo que está llenando el espacio? ¿Seríamos capaces de notar la diferencia?

Answer 1

La ciencia está llena de ideales en sus formulaciones. Esta es una de ellas.

SI tiene fijo la velocidad de la luz en el vacío es de 299.792.458 m/s. Si efectivamente la luz se propagara por un vacío perfecto, esa sería su velocidad... porque así lo definimos.

Sin embargo, a efectos prácticos, tenemos que ser capaces de diseñar experimentos con los que medir las distancias utilizando esta definición. Hemos hecho este tipo de experimentos regularmente en el alto vacío, a la par o más extremo que el vacío del espacio interestelar. Cuando observamos el efecto que tiene la materia en la ralentización de la velocidad de la luz, comprobamos que la diferencia entre su velocidad en un vacío perfecto y en un vacío alcanzable es menor que el error de medición de nuestros dispositivos experimentales. Antes de fijar la velocidad de la luz como una constante, teníamos lo midió con una precisión de 1 m/s.

¿Qué efecto tiene? Me cuesta encontrar fuentes que den una respuesta definitiva, pero basándome en el índice de refracción del hidrógeno en función de la presión, esperaría que los niveles interestelares de hidrógeno ralenticen la luz en un factor del orden de µm/s. Es muy difícil medir cosas físicas con 8 o 9 dígitos, y µm/s está a 15 dígitos de la velocidad de la luz, así que nuestras mediciones en un alto vacío son tan utilizables como si estuvieran en un vacío perfecto.

Si en algún momento descubrimos que este enfoque es erróneo, lo modificaremos, como ya se ha hecho en varias ocasiones, siendo la última modificación la fijación del kilogramo en función de varias constantes fundamentales.

Answer 2

Los "pocos átomos de hidrógeno por metro cúbico" son un vacío para la luz visible. El adjetivo "perfecto" es innecesario e irrelevante para describir la luz que se propaga por el vacío.

La longitud de onda de la luz visible es de unos 500 nm. Por lo tanto, aproximadamente $8 \ 10^{18}$ longitudes de onda caben en un metro cúbico. Unos pocos átomos de hidrógeno son totalmente irrelevantes. Su presencia no puede explicar el comportamiento ondulatorio de la luz y desde la perspectiva de tal fenómeno la región es el vacío.

Como los neutrinos no interactúan con la luz, su presencia tampoco es importante, independientemente de su cantidad. Y los fotones son lo mismo que la luz, así que no tiene sentido quejarse de la presencia de fotones cuando se habla de la presencia de la luz.

Answer 3

Tratando de abordar tu confusión sobre si las definiciones son circulares... Creo que la raíz de tu confusión puede estar en la comprensión de lo que significa el artículo de Wikipedia que has citado:

Su valor exacto es de 299.792.458 metros por segundo

Has puesto en negrita la frase anterior, pero en realidad no es la importante. La importante estaba más adelante en su cita:

un metro se define como la longitud de la trayectoria recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299792458 segundos

Creo que también puedes estar confundido sobre la diferencia entre los valores y las cantidades físicas que representan.

Por lo tanto, para determinar qué es un contador basado en la definición anterior, primero hay que medir la velocidad de la luz. Imagina que eres capaz de hacer un experimento que mide la distancia que recorre la luz en 1 segundo. Tal vez dibuje marcas de lápiz en dos paredes muy alejadas entre sí. Digamos que ejecutas el experimento 10 veces y observas los diferentes resultados. Los resultados de las diferentes ejecuciones del son no valores como [299792458,1 m, 299792457,7 m, 299792458,3 m, ...]. En cambio, las salidas son todo llamado "299792458 m". Por supuesto, tienen error de medición, pero el error está en la medición física real (las ubicaciones de las marcas de lápiz).

Si alguien quiere utilizar este experimento para, por ejemplo, fabricar un metro muy preciso (tal vez un "metro-segundo" en este caso), tendría que utilizar su metro para medir la distancia entre las marcas de lápiz en la pared, y utilizarlo para saber si su metro es demasiado grande o demasiado pequeño y ajustar su proceso de fabricación en base a ello.

¿Esto le da alguna idea, o estoy equivocado en cuanto a su confusión?

Answer 4

el CMB (Fondo Cósmico de Microondas) "es una débil radiación cósmica de fondo llenando todo el espacio " [...]

Dado que, al menos según Wikipedia, en la práctica el vacío no existe, y está lleno de radiación, [...]

Parece que asumes que un vacío en el que está presente la radiación electromagnética (como el CMB) no es un vacío "verdadero". Pero si defines el vacío de tal manera, entonces podríamos nunca medir la velocidad de la luz en el vacío, porque en cuanto se inyecta luz en el vacío, éste deja de ser un vacío perfecto. ¿Ves el problema aquí? Tu noción de lo que es el vacío es demasiado purista y restrictiva.

Además, si el verdadero vacío no parece existir y está lleno de radiación (CMB), ¿realmente podemos suponer que la luz no necesita un medio para propagarse?

Creo que lo que quieres decir es que la luz puede propagarse en el vacío (es decir, que la luz no necesita materia para propagarse), no que la luz no necesite un medio para propagarse. En cuanto a un "medio", la verdad es que no sabemos realmente qué es la luz y cómo o por qué se propaga, así que la afirmación sobre un medio pertenece a los ámbitos de la filosofía o la metafísica, no de la física. Sí que disponemos de excelentes descripciones matemáticas de la luz, el vacío y otros fenómenos físicos. Nuestros modelos matemáticos dicen que la luz se propaga en el vacío, y todas las pruebas experimentales existentes lo confirman con un grado de certeza abrumador. Eso es realmente todo lo que la física tiene que decir sobre esta cuestión de la propagación.

Answer 5

Hay muchas respuestas que apuntan a diferentes formas de entender la pregunta y transmiten diferentes tipos de información sobre ella. Estoy muy agradecido a todos los que han contribuido a este debate.

Esta respuesta es para condensar la información contenida en las otras respuestas hasta ahora, que en conjunto creo que responden a la pregunta publicada.

Esto es lo que he aprendido:

1) En realidad nunca hemos observado la luz en el "verdadero vacío", ya que el "verdadero vacío" no existe realmente (o está mal definido)

2) Teniendo en cuenta 1), no hemos sido capaces de medir la velocidad de la luz en el vacío. Sin embargo, esto no parece importar, ya que hemos acordado definir la velocidad de la luz como una cantidad fija

3) No existe una definición universalmente aceptada de vacío, sino que significa cosas diferentes en distintos ámbitos o contextos

4) A pesar de 1), 2), y 3), no importa realmente para los propósitos de la física, porque los modelos funcionan de todos modos y los modelos no son la realidad, sólo herramientas matemáticas útiles para ayudarnos a hacer predicciones

5) En realidad no hay unidades absolutas de nada. Las constantes y las unidades son conceptos abstractos definidos a través de los modelos matemáticos de la física y los valores de las unidades se definen por acuerdo y se rigen por el SI. Así, por ejemplo, no hay ningún problema en definir la velocidad de la luz en función del metro y, al mismo tiempo, definir el metro en función de la velocidad de la luz