¿Hay algún experimento que pueda hacer para determinar la velocidad de la luz utilizando solo herramientas comunes de hogar?
No estoy seguro si califica como experimento casero, pero puedes utilizar internet para acceder a miles de kilómetros de fibra óptica de forma gratuita. Esto te permite medir un límite inferior para la velocidad de la luz en las fibras, que es $c/n$, donde $n$ es el índice de refracción del vidrio, típicamente alrededor de 1.5. Esto corresponde a $2\times 10^8 \text{m/s}$. Utilizando ping, puedes medir un tiempo de ida y vuelta, que debería corresponder a 100 km/ms de ida y vuelta.
Desde París, hago ping al sitio web de Columbia, en Nueva York, obtengo
fred@sanduleak2:~$ ping www.columbia.edu
PING www.columbia.akadns.net (128.59.48.24) 56(84) bytes of data.
64 bytes from www-csm.cc.columbia.edu (128.59.48.24): icmp_req=1 ttl=113 time=125 ms
64 bytes from www-csm.cc.columbia.edu (128.59.48.24): icmp_req=2 ttl=113 time=116 ms
....
64 bytes from www-csm.cc.columbia.edu (128.59.48.24): icmp_req=16 ttl=113 time=112 ms
^C
--- www.columbia.akadns.net ping statistics ---
17 packets transmitted, 16 received, 5% packet loss, time 16023ms
rtt min/avg/max/mdev = 108.585/118.151/132.156/7.728 msEl tiempo mínimo de ida y vuelta es de 108 ms, lo cual correspondería a 10,800 km en lugar de 5839 km. Un factor de error de 2, pero el orden de magnitud correcto, debido a los retrasos en los switches, etc., por eso mencionamos que es un límite inferior.
Si observamos más detenidamente la trayectoria de mis paquetes hacia Nueva York con tracepath
fred@sanduleak2:~$ tracepath www.columbia.edu
1: sanduleak2 0.266ms pmtu 1500
....
3: pioneer.ens-cachan.fr 1.072ms
....
6: vl172-orsay-rtr-021.noc.renater.fr 28.747ms asymm 9
7: te0-1-0-5-paris1-rtr-001.noc.renater.fr 20.931ms
8: renater.rt1.par.fr.geant2.net 30.307ms asymm 9
9: so-3-0-0.rt1.lon.uk.geant2.net 33.780ms asymm 10
10: so-2-0-0.rt1.ams.nl.geant2.net 36.570ms asymm 11
11: xe-2-3-0.102.rtr.newy32aoa.net.internet2.edu 127.394ms asymm 12
12: nyc-7600-internet2-newy.nysernet.net 128.238ms
13: columbia.nyc-7600.nysernet.net 135.948ms
14: ....Vemos que los paquetes viajan alrededor (París, Londres, Ámsterdam) y cruzan el Atlántico entre Ámsterdam (10) y Nueva York (11) en 127-37=90 ms (ida y vuelta). Esto nos da una distancia de 9000 km, demasiado larga. No estoy seguro si esto se debe a la trayectoria del cable, retrasos electrónicos, a un muestreo pequeño por tracepath o un error en mi cálculo.
Relacionado con este retraso de ping, tienes el divertido bug de las 500 millas.
Otro experimento en laboratorio utilizando materiales económicos y computadoras está en el paper de arXiv medición de la velocidad de la luz usando ping. Sin embargo, su medición es indirecta (miden la propagación dentro de cables CAT5), pero también debería ser factible con fibras ópticas.
Editado para agregar: Mi idea de utilizar tracepath probablemente proviene de Midiendo la Tierra con Traceroute. En este paper tienen más suerte que yo (¡solo un 20% más lento, en lugar de un 100%!)
Sí. ¡Esto podría funcionar :) He realizado cálculos de retardo en mi curso de Redes Informáticas. Pero nunca pensé en utilizarlo como una forma de calcular la velocidad de la luz.
Sorprendentemente: el trayecto París-Londres-Amsterdam parece bastante preciso: aproximadamente 3 horas, es decir, 300 km cada una, que es la distancia real.
Me recuerda al libro de Cliff Stoll, el Huevo del Cuco, en el que él (un astrónomo) utiliza el tiempo de ping para estimar cuán lejos podría estar un intruso en el sistema informático.
Hay un truco del que he oído hablar antes pero nunca he probado. La idea básica es poner una barra de Mars en un horno de microondas durante un corto período de tiempo. Primero, sacas el plato giratorio, para que la barra de chocolate permanezca quieta. Luego, enciendes el microondas solo el tiempo suficiente para que el chocolate comience a derretirse. Debería derretirse en los nodos del campo estacionario. Simplemente mides la distancia entre los nodos, y multiplicas por la frecuencia del horno de microondas para obtener la velocidad de la luz. Hay una demostración en YouTube (hecha por un niño) aquí.
Lo cual plantea la cuestión del retraso mínimo que podríamos esperar medir, en casa, es decir, "con herramientas comunes de hogar". ¿Se nos permite incluir una computadora, teléfono inteligente u otro dispositivo? ¿Se nos permite reprogramar algo? ¿Podemos construir una línea de retraso de fibra o cable? ¿Podemos medir franjas de interferencia?
Puedes encontrar un capacitor y leer su capacitancia, alternativamente construir uno y medirla, y medir sus dimensiones. Ahora puedes obtener una buena estimación de la permitividad del vacío, épsilon.
Posiblemente hay otras maneras complicadas de medir este número.
Entonces la velocidad de la luz está dada por una relación que involucra otro número, la permeabilidad del vacío, µ, que no necesita ser medida ya que está definida.
Esta relación puede derivarse de las ecuaciones de Maxwell.
$c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilonµ}}$
Parece que esto necesita rotación en la escala de $10^2$ a $10^3$ rotaciones por segundo. ¿Sabes si esto es factible/medible con un espejo y un taladro doméstico y engranajes fácilmente realizables (si es necesario)?
Mi taladro realiza 2800 rotaciones por minuto, es decir, 47 rotaciones por segundo. El experimento suena complicado, pero factible.
Hicimos esto en mi curso de laboratorio de pregrado. Fue bastante genial. Creamos un camino óptico plegado al estilo de Indiana Jones en la sala de laboratorio.
Incluso si utilizara el retroreflector dejado en la luna (que nunca está a más de 406,000 km de nosotros), el retraso de tiempo entre enviar y recibir una señal reflejada es solo un poco más de un segundo. Para una señal rebotada en la ISS (asumiendo que siquiera podrías lograr esto), el retraso de tiempo sería aproximadamente de 1 ms. Sería extremadamente difícil medir esto con precisión utilizando 'herramientas comunes del hogar', por no mencionar la dificultad de distinguir realmente la señal del ruido de fondo.
Lo cual plantea la cuestión del retraso mínimo que podríamos esperar medir, en casa, es decir, "con herramientas comunes de hogar". ¿Se nos permite incluir una computadora, teléfono inteligente u otro dispositivo? ¿Se nos permite reprogramar algo? ¿Podemos construir una línea de retraso a partir de fibra o cable? ¿Podemos medir franjas de interferencia?
Solía ser más fácil hace unos años, cuando la comunicación a larga distancia se realizaba a través de satélites geoestacionarios (36000 km x 4), podías escuchar claramente la demora entre la pregunta y la respuesta al llamar a alguien lo suficientemente lejos (por ejemplo, de Europa a Asia). Era aproximadamente de 1/2 segundo. Ahora los cables están en todas partes, y la demora ya no puede ser percibida, excepto en la televisión, cuando los periodistas en el campo responden a los estudios a través de una conexión vía satélite.
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Galileo propuso uno en uno de sus libros, aunque no estoy muy seguro de su exactitud... ;)
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Creo que esta solución estaba relacionada con las lunas de Júpiter. Esta es una forma clásica de obtener la velocidad de la luz.
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La solución de las lunas de Júpiter es la de Rømer (ver respuesta de @nibot), no la de Galileo. La solución de Galileo era solo un límite inferior, y de hecho no era precisa en absoluto. Ver speed-light.info/measurement.htm#Galileo
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@Frederic Si bien la determinación de Rømer de la velocidad de la luz era demasiado baja en aproximadamente 1/3, esto fue principalmente debido a su valor asumido para la unidad astronómica que también era demasiado bajo en la misma cantidad. La medición de la u.a. (antes de la medición por radar) era notoriamente difícil. El retraso de tiempo anómalo en el eclipse de las lunas de Júpiter era preciso. Por lo tanto, si este experimento se repitiera hoy, con los valores modernos de la u.a., sería preciso dentro de unos pocos %.
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@sigoldberg1: Mi reflexión sobre la precisión se centró en la medición de Galileo, no en la de Rømer.
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Técnicamente, es imposible medir la velocidad de la luz. La velocidad de la luz simplemente se define. No es que esto importe mucho ya que en una situación cotidiana en casa pensamos en un metro como la longitud de un metro de medir, no la distancia que la luz recorre en aproximadamente tres nanosegundos.
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@Mark Eichenlaub: Si aceptamos la definición oficial de la velocidad de la luz, entonces el conjunto de experimentos descritos aquí se puede ver como una forma de medir (1) intervalos de tiempo cortos (microondas y chocolate / espejo giratorio) o (2) largas distancias (ping / Rømer's). Así que tu punto de vista elimina cualquier reserva que tenía sobre la practicidad del experimento de Rømer :-)