¿A qué velocidad se propaga la luz? Se trataba de una pregunta que ya había abordado Aristóteles, para quien era un estado o cualidad adquirido al unísono por el medio desde el objeto luminoso. Negaba así a Empédocles, para quien la luz era una emanación material emitida desde el objeto luminoso y que viajaba a otro punto con velocidad finita. Con ello, la hipótesis de Aristóles fue casi unánimemente aceptada hasta el siglo XII.

Velocidad infinita

Hubo excepciones. Alhacén (965-1040) consideraba que el movimiento de la luz necesitaba de una cantidad finita, aunque imperceptible, de tiempo. Sin embargo, la mayoría de autores partía de la base de Aristóteles, añadiendo pequeños detalles propios. A partir de esta, Descartes razonó con su teoría cartesiana que la luz era una propiedad mecánica del propio objeto luminoso y del medio de transmisión. Estaba tan seguro de haber llegado a la conclusión correcta que aseguró que, si se probara que la velocidad de la luz era finita, debería confesar que no sabía nada de filosofía.

Descartes razonaba que los eclipses de Luna serían diferentes con una luz de velocidad finita. La explicación es la siguiente. Partamos de dos haces de luz que salen del Sol. Ambos llegan, al menos, hasta la posición de la Tierra. Uno de ellos seguirá, llegará a la Luna y será reflejado. Si asumimos que la luz recorre la distancia entre la Tierra y la Luna en media hora, el haz de luz reflejado volverá a la Tierra una hora más tarde que el otro. Es decir, el eclipse de Luna se verá una hora más tarde de que el haz de luz reflejado pase por la Tierra en primer lugar. Asimismo, en cuanto ocurre la sizigia, es decir, si el Sol se alinea con la Tierra cuando su luz llega a esta, no se verá el eclipse de Luna hasta una hora después de que el primero se haya alineado. Sin embargo, explicaba que las observaciones y experimentos mostraban la alineación de los tres cuerpos y que el Sol no había abandonado su posición mientras sucedía el eclipse.

Uso de los satélites de Júpiter

Christian Huygens inventó un reloj de péndulo que serviría para calcular distancias. Uno debía situarse en un lugar con una longitud conocida, mientras el segundo se situaba en el lugar con la longitud a determinar. Ambos debían observar el mismo fenómeno astronómico y calcular la diferencia en la longitud a través de los tiempos registrados. La frecuencia de este fenómeno debía ser la suficiente para no retrasar los trabajos cartográficos. Por ello, en 1664, Giovanni Domenico Cassini explicó que la observación del mismo satélite de Júpiter serviría para lograr la medición precisa del tiempo. Este método se establecería en 1680 como el oficial en la Academia Real de Ciencias, fundada por Luis XIV en el 1666 y donde se incorporó Cassini en 1669. Teniendo en cuenta los movimientos de los barcos en el mar, se limitaría a mediciones en tierra firme.

Para entonces, se conocían los periodos orbitales de los satélites galineanos y la relación entre ellos. Los satélites desaparecían y reaparecían en la sombra de Júpiter y también proyectaban la propia en el disco de Júpiter. Galileo propuso que sirvieran como un reloj celeste que sirviera de referencia para los observadores de ambos hemisferios. Las longitudes anteriormente mencionadas se calculaban a partir de las observaciones de los satélites de Júpiter y se comparaban con las posiciones calculadas como una función de la hora local de París.

En agosto de 1671, Jean Picard, otro miembro de la Academia francesa, viajó a la isla danesa de Hven para calcular la posición geográfica del observatorio Uraniborg de Tycho Brahe y compararlo con los datos obtenidos por Cassini en París. Entre el 25 de octubre de 1671 y el 4 de enero de 1672, Picard y Cassini observaron el mismo ocultamiento de Ío en la sombra joviana, con 42 minutos de diferencia. En su viaje de regreso, Picard volvería con Ole Christensen Rømer, astrónomo del observatorio danés.

Una primera medición

Rømer observó discrepancias entre las tablas de eclipses de los satélites jovianos en Ephemeies Bononiensis mediceorum Siderum (1668) publicadas por Cassini y sus propias observaciones. Mientras la distancia entre la Tierra y Júpiter se mantenía constante, también lo hacían los intervalos entre cada uno de los eclipses. Por el contrario, los eclipses de Ío ocurrían demasiado pronto cuando la Tierra se acercaba a Júpiter y demasiado tarde cuando se alejaba. Rømer observó que los tiempos de los eclipses de los satélites de Júpiter variaban periódicamente durante el año en unos 8 minutos.

El 22 de septiembre de 1676, Rømer presentó ante la Academia francesa que la luz debía viajar a una velocidad finita, publicando sus conclusiones el 7 de diciembre de 1676 en el artículo Demonstration touchant le mouvement de la lumière en el Journal des Sçavans.

Rømer no calculó la velocidad, pero dio el primer paso para demostrar que era finita, por lo que se encontró con resistencia en la comunidad científica. Cassini había llegado a conclusiones similares a principios de su carrera, pero no pudo observar que estos resultados se repitieran con los otros satélites, suponiendo que se debería a movimientos irregulares de los satélites u otras causas desconocidas. Dado que entonces se desconocía la atracción gravitatoria que se ejercen entre sí estas lunas, descartó sus conclusiones iniciales.

Robert Hooke en Lectures on Light (1680) señaló que las observaciones de Rømer no eran concluyentes y, dado que tendría una velocidad inimaginable, no hay razón para no considerarla instantánea. No obstante, otros, como John Flamsteed, Huygens e Isaac Newton, quien había defendido la visión de Descartes, apoyaron sus deducciones y correcciones. En Opticks (1704), Newton presentaba las distintas hipótesis sobre la luz, donde estimaba que tardaba 7-8 minutos en llegar a la Tierra desde el Sol. 

En 1728, James Bradley calculó que la aberración de la luz de las estrellas era de 1/200º de arco. Esto se entiende mejor con un símil. De igual manera que las gotas de lluvia parecen caer verticalmente cuando estamos quietos y en ángulo cuando nos desplazamos, la posición aparente de las estrellas depende de la velocidad del observador. Bradley midió ese pequeño ángulo. Con ello, fue capaz de medir la velocidad de la luz estableciéndola, con unidades actuales, como 298 000 km/s. Esta medición es próxima a la actual de 299 742,458 km/s en el vacío. Desde entonces, las preguntas en torno a la velocidad de la luz giraron en cómo medirla con mayor precisión.

Fuentes

• Sabra, A. I. (1981). Theories of light: from Descartes to Newton. Cambridge University Press.
• Sterken, C. (2005, July). Ole Roemer and the Light-Time Effect. In The Light-Time Effect in Astrophysics: Causes and cures of the OC diagram (Vol. 335, p. 181).
• Daukantas, P. (2009). Ole Rømer and the Speed of Light. Optics and Photonics News, 20(7), 42-47.