¿Experimentos caseros para derivar la velocidad de la luz?

¿Hay algún experimento que pueda hacer para derivar la velocidad de la luz solo con herramientas domésticas comunes?

Galileo propuso una en uno de sus libros, aunque no estoy muy seguro de su precisión... ;)
Creo que esta solución estaba relacionada con las lunas de Júpiter. Esta es una forma clásica de obtener la velocidad de la luz.
La solución de las lunas de Júpiter es la de Rømer (ver la respuesta de @nibot), no la de Galileo. La solución de Galileo era solo un límite inferior y, de hecho, no era precisa en absoluto. Consulte speed-light.info/measurement.htm#Galileo
@Frederic Si bien la determinación de Rømer de la velocidad de la luz fue demasiado baja en aproximadamente 1/3, esto se debió en gran medida a que su valor asumido para la unidad astronómica era igualmente demasiado bajo en la misma cantidad. La medición de la au (antes del alcance del radar) fue notoriamente difícil. El retraso de tiempo anómalo en el eclipse de las lunas de Júpiter fue exacto. Entonces, si este experimento se volviera a hacer hoy, con los valores modernos de la au, sería preciso dentro de unos pocos %.
@sigoldberg1: Mi reflexión sobre la precisión estaba en la medida de Galileo , no en la de Rømer.
Técnicamente, es imposible medir la velocidad de la luz. La velocidad de la luz se define simplemente. No es que esto importe mucho, ya que en una situación doméstica cotidiana pensamos en un metro como la longitud de una regla métrica, no como la distancia que recorre la luz en unos tres nanosegundos.
@Mark Eichenlaub: si aceptamos la definición oficial de la velocidad de la luz, entonces el conjunto de experimentos descritos aquí puede verse como una forma de medir (1) intervalos de tiempo cortos (microondas y chocolate/espejo giratorio) o (2) largas distancias (ping / Rømer's). Entonces, tu punto de vista elimina cualquier reserva que tuviera sobre la practicidad del experimento de Rømer :-)

Respuestas (12)

No sé si califica como experimento casero, pero puedes usar Internet para obtener acceso a miles de kilómetros de fibra óptica de forma gratuita. Le permite medir un límite inferior para la velocidad de la luz en las fibras, que es C / norte , dónde norte es el índice de refracción del vidrio, típicamente alrededor de 1.5. esto corresponde a 2 × 10 8 milisegundo . Usando ping, mide un tiempo de ida y vuelta, es decir, debe corresponder a 100 km/ms de ida y vuelta.

Desde París, hago ping al sitio web de Columbia, en Nueva York, tengo

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 ms

El tiempo mínimo de ida y vuelta es de 108 ms, lo que correspondería a 10.800 km en lugar de 5839 km. Apagado por un factor de 2, pero en el orden de magnitud correcto, debido a retrasos en los interruptores, etc., por lo que dijimos que este es un límite inferior.

Si uno mira con más precisión la trayectoria de mis paquetes a Nueva York contracepath

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 (París, Londres, Ámsterdam) y cruzan el Atlántico entre Ámsterdam (10) y Nueva York (11) en 127-37=90 ms (ida y vuelta). Esto todavía nos da una distancia de 9000 km, demasiado larga. No sé si es por la trayectoria del cable, retrasos electrónicos, pequeño muestreo por tracepath o un error en mi cálculo.

Relacionado con este retraso de ping, tienes el divertido error de 500 millas .

Otro experimento en el laboratorio que usa material barato y computadoras es la medición de la velocidad de la luz en papel arXiv usando ping . Sin embargo, su medida es indirecta (miden la propagación dentro de cables CAT5), pero también debería ser factible con fibra óptica.

Editado para agregar : Mi idea de usar tracepath probablemente proviene de Medir la Tierra con Traceroute . En este papel tienen más suerte que yo (¡solo un 20% más lento, en lugar del 100%!)

Sí. Esto podría funcionar :) He hecho cálculos de retraso en mi curso de Redes de Computadores. Pero nunca se pensó como una forma de calcular la velocidad de la luz.
Sorprendentemente: el trayecto París-Londres-Amsterdam anterior (8-9-10) parece bastante preciso: aproximadamente 3 ms, es decir, 300 km cada uno, que es la distancia real
Me recuerda el libro de Cliff Stoll, El huevo del cuco, en el que él (un astrónomo) usa el tiempo de ping para estimar qué tan lejos podría estar un intruso en el sistema informático.
@Frédéric: No estoy seguro de que pueda simplemente tomar la diferencia de dos veces en traceroute. Ignora la sobrecarga de procesamiento que puede ser sustancialmente diferente en cada nodo.
@Joe: si entendí traceroute correctamente, la sobrecarga se propaga al siguiente nodo. Tengo más miedo de las fluctuaciones estadísticas.
@Frédéric: En cada salto hay una sobrecarga de enrutamiento. Cuando un paquete expira en ese salto, el procesamiento es diferente.
+1 por hacer referencia a "Medición de la velocidad de la luz usando ping" en arxiv.org/abs/physics/0201053 , aunque como experimento real, esto probablemente solo daría un límite inferior a c.
@ sigoldberg1: sí, pero un límite inferior está dentro del 33% del valor correcto. Si se hace con fibra, admitiendo que la fibra sea de vidrio, se puede medir fácilmente el índice de refracción del vidrio en 1,5 y tenemos el resultado correcto...
Pero supongamos que no sabíamos el resultado correcto y obtuvimos varios resultados diferentes con diferentes cables. Tendríamos que ser algo cuidadosos antes de declarar una respuesta "final"
@sigoldberg1: OK, pero este límite inferior es mucho mejor que el de Galileo.
@Frédéric: aunque para ser justos, solo tenía acceso telefónico
El experimento fallará aquí. Al enviar un paquete ICMP, pasa por varios pasos, cada uno de los cuales implica el procesamiento del paquete. Un módem que convierte la señal digital en señales de onda modulada para transferir los datos. Luego pasa a través de varios enrutadores, conmutadores y computadoras, cada uno de los cuales procesa los datos, dependiendo de las conexiones simultáneas, toma más o menos tiempo. Así que esto no funcionará.
-1 Necesitas estudiar redes. Los paquetes no toman el camino más corto. Pasa por cientos de enrutadores antes de llegar al destino. Esto ni siquiera es un aproximado. Las computadoras son mucho más lentas. Un error del 50% es inaceptable.
Además, las ondas en la fibra óptica no se mueven en línea recta. Se están doblando.
@YashasSamaga: Por supuesto, los paquetes no toman las rutas más cortas y los errores son inducidos por las computadoras (evite la conexión inalámbrica). Podría verse como un límite inferior. Pero tener el orden de magnitud correcto con un experimento casero barato (básicamente gratis) como este está lejos de ser inaceptable. Es mucho mejor que el límite de 138 de Galieo, pero de hecho peor que la estimación de 1675 de Rømer.
@YashasSamaga: Estas fibras son fibras monomodo. En tales fibras, la imagen habitual de un "rayo de luz que rebota" es incorrecta y, de hecho, la luz se propaga a lo largo de la fibra.
Eliminé mi voto negativo, pero este método da respuestas impredecibles. Alguien también podría medir la velocidad en 100 millas por segundo, otra persona podría medirla en 10,000 millas por segundo.

Hay un truco del que he oído hablar antes pero que nunca he probado. La idea básica es poner una barra de Marte en un horno de microondas por un corto período de tiempo. Primero quitas el plato giratorio, para que la barra de chocolate permanezca estacionaria. Luego, enciende el microondas el tiempo suficiente para que el chocolate comience a derretirse. Debe derretirse en los nodos del campo permanente. Simplemente mida la distancia entre los nodos y multiplíquela por la frecuencia del horno de microondas para obtener la velocidad de la luz. Hay una demostración de YouTube (por un niño) aquí .

Sin embargo, debes conocer la frecuencia del microondas.
Sí. Afortunadamente suele estar escrito en ellos.
lo que plantea la cuestión del retraso mínimo que podríamos esperar medir, en casa, es decir, "con herramientas domésticas comunes". ¿Podemos incluir una computadora, un teléfono inteligente u otro dispositivo? ¿Se nos permite reprogramar algo? ¿Podemos construir una línea de retardo con fibra o cable? ¿Podemos medir franjas de interferencia?
Bueno, no sé ustedes, pero yo no tengo 30000 km de fibra óptica en los gabinetes de mi cocina.
No, pero es posible que pueda obtener 30 m, o transmitir una señal en el aire de esa longitud, y si pudiera encontrar una manera de medir con precisión el retraso de ida y vuelta de 20 microsegundos, tal vez usando los chips de temporizador en una computadora, eso podría funcionar .
@sigoldberg1: La velocidad de la luz es aproximadamente 3 × 10 8 metro s − 1 . Por lo tanto, solo se necesita 10 − 7 s viajar a través de 30 m, a menos que la velocidad sea de órdenes de magnitud menor en la fibra. Esto es 100 nanosegundos, no 10 microsegundos. Para un retraso de 10 microsegundos necesitas 3 km.
@Joe Fitzsimmons: En una fibra, la velocidad es solo un 33 % más lenta.
@Frédéric: Sí, supuse que no sería mucho. Simplemente no puedo entender de dónde sacó los números.
Esta respuesta será por un factor de dos ya que el primer nodo está a la mitad de la ola. Debe duplicar su medida para obtener la longitud de onda completa, o medir hasta el 'segundo' punto de fusión.
@Nic: sí, tienes razón, por supuesto.
Nitpick: la barra no se derretirá en los nodos, se derretirá entre ellos en los picos. Sin embargo, obtendrás el mismo resultado de cualquier manera.
También he visto este experimento realizado con una cuadrícula bidimensional de malvaviscos. demostrations.wolfram.com/… tiene algunas fotos y una explicación.
@StefanoBorini En realidad, me pregunto si podría ir más allá de simplemente usar la especificación del fabricante. Conecte un osciloscopio a diferentes puntos de voltaje y puede ser posible medir la frecuencia del magnetrón. Eso constituiría, de hecho, una verdadera medida de la velocidad de la luz.

Puede encontrar un capacitor y leer su capacitancia, alternativamente construir uno y medirlo, y medir sus dimensiones. Ahora puede obtener una buena estimación de la permitividad del vacío, épsilon.

Posiblemente hay otras formas complejas de medir este número.

Entonces, la velocidad de la luz viene dada por una relación que implica otro número, la permeabilidad al vacío, µ, que no necesita medición tal como está definida.

Esta relación se puede derivar de las ecuaciones de Maxwell.

C = 1 ε µ

+1 : Podrías sumar el valor de m 0 = 4 π ⋅ 10 − 7 Unidades SI

Con un reloj y un telescopio podrías repetir la determinación de Rømer de la velocidad de la luz .

Ese experimento necesita 6 meses, pero también debe encontrar una manera de determinar la distancia tierra-sol. Alguna idea ?
La forma histórica de determinar la distancia tierra-sol parece más compleja que la determinación de Rømer de la velocidad de la luz: en.wikipedia.org/wiki/Astronomical_Unit#History :-(
Podrías encontrar la distancia tierra-sol de parallax. Sin embargo, no tengo idea de la distancia que tendría que viajar para hacer eso.

También puede probar el método del espejo giratorio, de Léon Foucault. Está detallado aquí y aquí . La única parte difícil es el espejo giratorio, pero probablemente podría hacerse con un taladro.

Parece que esto necesita rotación en la escala de 10 2 a 10 3 rotaciones por segundo. ¿Sabe si esto es factible/medible con un espejo y un taladro doméstico y engranajes fáciles de fabricar (si es necesario)?
Mi taladro hace 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 dulce. Hicimos un camino óptico plegado al estilo de Indiana Jones en la sala de laboratorio.
@Justin: si desea medir la velocidad del taladro, intentaría grabar el sonido en una computadora y observar su espectro obtenido por FFT. Espero ver picos espaciados de 47 Hz. Si desea realizar una medición de velocidad mecánica, usaría un carrete de hilo para máquina de coser (están hechos para girar rápidamente y convertir un ángulo de rotación en una longitud de hilo, que es más fácil de medir).
Puede compensar la baja velocidad de rotación simplemente ampliando la ruta óptica. Hazlo en un campo de fútbol. :) Un puntero láser hoy en día puede cubrir fácilmente cientos de metros.
Sus opciones para hacer que esto funcione son distancias de trayectoria de varios kilómetros, espejos que giran >20k RPM (por ejemplo, con un enrutador) u observación de la desviación con un microscopio.

No puedo pensar en una manera de hacerlo con "herramientas domésticas comunes", pero si tiene un osciloscopio, un diodo láser, un par de fotosensores, un divisor de haz, puede hacerlo. Todas estas cosas están fácilmente disponibles en tiendas de artículos científicos/pasatiempos en línea, pero no suelen estar en la mayoría de los hogares.

Configure el diodo láser para que golpee el divisor de haz y se divida en dos haces. Configure los dos haces de modo que golpeen dos fotosensores, pero haga que uno de los fotosensores esté exactamente al doble de la distancia del divisor de haz que el otro. Esto creará dos caminos separados para la luz, uno el doble de largo que el otro. Ejecute la salida de los fotodiodos en dos canales del osciloscopio. Encienda el diodo láser y debería ver dos pulsos en el oscopio, uno de cada uno de los dos diodos láser. La diferencia entre ellos es el tiempo que tarda el rayo de luz en recorrer la distancia de la diferencia en los dos caminos.

La razón para hacerlo de esta manera es la precisión: si solo tenía un haz y su fotodiodo tardó, digamos, 1 microsegundo más en encenderse que lo que estaba en la documentación, o su láser tardó en encenderse, entonces usted obtendría resultados muy inexactos. Pero con dos haces, esos errores se anulan entre sí, por lo que todo lo que te queda es el tiempo de la luz.

¿Se puede hacer este experimento realmente en una habitación pequeña, digamos < 10 m? El osciloscopio tiene que ser muy preciso.
Creo que sí: la luz viaja aproximadamente 1 pie por 1,02 nanosegundos, por lo que está chocando contra la precisión de los O-scopes más baratos, pero mi pequeño Oscope USB de $ 200 hará 50 ns/división. Creo que aún debería poder hacerlo haciendo un camino de luz muy corto y el otro muy largo, luego ajuste sus matemáticas en consecuencia. Entonces podrías ver la diferencia de media división más o menos...
@hwlau: Solo usa espejos.

Esas cintas métricas láser funcionan de una manera interesante, que se basa en la velocidad de la luz para determinar la distancia. Entonces, a la inversa, si tiene una distancia conocida, entonces con el mismo equipo debería poder estimar c.

Lo que hacen las cintas métricas es modular la intensidad del láser saliente según la intensidad de la luz reflejada. Es básicamente un oscilador cuya frecuencia depende del retardo de propagación óptica. Los productos comerciales utilizan la frecuencia resultante para determinar una distancia a mostrar.

Si puede obtener la salida del oscilador y configurarlo para medir una distancia conocida, debería poder estimar c como la frecuencia en Hz multiplicada por la distancia de ida y vuelta en metros.

Quizás un interferómetro de Fizeau:

http://en.wikipedia.org/wiki/Fizeau_interferómetro

La mayor parte debería estar al alcance de un aficionado entusiasta, pero no estoy seguro de qué usar como divisor de haz sin solo comprar uno.

Creo que lo más simple sería usar un oscilador de RF, un receptor para determinar su frecuencia y cables Lecher (es decir, un par de cables paralelos) donde se determinan los nodos de la onda estacionaria usando un voltímetro de RF. Ver http://en.wikipedia.org/wiki/Lecher_lines .

Este fue uno de los experimentos en un kit de electrónica que tuve en mi juventud. La longitud de la línea Lecher era de unos 5 m y la frecuencia del oscilador era de unos 100 Mhz utilizando un solo transistor en un circuito de base común.

Como variación, también es posible cambiar la frecuencia y medir cuánto se han movido los nodos.

¿No lanzaron una vez los radioaficionados (Hams) un globo como un satélite reflector? ¿Sigue en órbita? Incluso a unos pocos cientos de kms, el retraso sería de ms. Tal vez la ISS sea parcialmente reflectante.

Incluso si usó el retrorreflector que quedó en la luna (que nunca está a más de 406 000 km de nosotros), el tiempo de demora entre el envío y la recepción de una señal reflejada es solo un poco más de un segundo. Para una señal que rebota en la ISS (suponiendo que pueda incluso lograr esto) el retraso de tiempo sería de aproximadamente 1 ms. Sería extremadamente difícil medir esto con precisión usando 'herramientas domésticas comunes', sin mencionar la dificultad de distinguir la señal del ruido de fondo.
lo que plantea la cuestión del retraso mínimo que podríamos esperar medir, en casa, es decir, "con herramientas domésticas comunes". ¿Podemos incluir una computadora, un teléfono inteligente u otro dispositivo? ¿Se nos permite reprogramar algo? ¿Podemos construir una línea de retardo con 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 × 4), se podía escuchar claramente el retraso entre la pregunta y la respuesta cuando se llamaba a alguien lo suficientemente lejos (Europa a Asia, por ejemplo) . Fue aproximadamente 1/2 segundo. Ahora el cable está en todas partes, y la demora ya no puede ser difícil, excepto en la televisión, cuando en el campo los periodistas están respondiendo a los estudios a través de una conexión satelital.
Usando un satélite, o la Luna, ¿cómo comprobarías la distancia? ¿O nos sentimos cómodos confiando en autoridades externas?
@DarenW: por ejemplo, mide el tamaño de la Tierra como Eratóstenes (hace un viaje de vacaciones) y luego usa la gravitación de Newton para calcular la distancia de un satélite dado su período y g.

¿Qué pasa con un método de desplazamiento Doppler? Un radar de velocidad doppler o una pistola lidar pueden tener todos los componentes necesarios para que su lógica sea la inversa. Aquí hay uno, por ejemplo, listo para desmontar. http://cgi.ebay.com/ws/eBayISAPI.dll?ViewItem&item=300374815766&rvr_id=169891150704&crlp=1_263602_304642&UA=M *S%3F&GUID=0537e92612c0a06456359f45ffd1174f&itemid=300374815766&ff4=263602_304642#ht_2332wt_979

¿Alguien tiene un puntero a la patente de Kinect? el dispositivo de la XBox mide la distancia usando el reflejo de la luz infrarroja, por lo que seguro que depende de una velocidad finita de la luz para funcionar.

Me imagino que simplemente usa la disminución de la iluminación para medir la distancia. Eso parece mucho más fácil que cronometrar pulsos.
Esta opinión errónea sobre Kinect se expresa con bastante frecuencia en los foros.
@Georg the Kinect originalmente iba a usar la ZCam que tiene un telémetro de tiempo de vuelo por píxel. la versión de producción usa luz estructurada y cámara estereoscópica
@Martin, haga un cálculo frontal sobre la duración del impulso y el tiempo de subida de los pulsos de luz necesarios para el tiempo de vuelo a tales distancias. Luego busque piezas electrónicas que hagan eso y que sean lo suficientemente pequeñas y asequibles.
@Georg Tiene razón en el hecho de que no es asequible realizar una detección directa del tiempo de vuelo para cada píxel. Pero ZCam usó un modulador de estado sólido para transformar las diferencias de tiempo de vuelo en diferencias de intensidad que son mucho más fáciles de detectar.
¿Experimentos caseros para derivar la velocidad de la luz?
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