La Luz, ondas electromagnéticas y relatividad.

Posted on 14 abril 2019 by joseantoniomartin

Preguntarse ¿qué es la luz?, nos lleva a respuestas muy potentes y preguntas aún no resueltas tecnológica e intelectualmente. Lo primero impactante es que al mirar a las estrellas, la luz que salió de allí, es mirar a su pasado. El universo es tan grande, que la luz que viaja a la máxima velocidad tarda miles e incluso millones de años en recorrerlo. A poca distancia la luz es prácticamente instantanea, sin embargo tarda 8 minutos desde el Sol a la Tierra. La luz es lo más rápido de nuestro universo debido a que el fotón (la partícula que la transporta) no tiene masa (es sólo energía), su velocidad en el vacío es c=299.792,458m/sg, aunque se redondea a c=300.000.000m/sg. Los electrones orbitan en distintos niveles energéticos alrededor del núcleo del átomo, la luz visible se forma cuando un electrón que está en estado excitado pasa a una órbita inferior perdiendo energía y emitiendo un fotón (al contrario, un electron puede pasar a un nivel superior absorbiendo la energía), una partícula sin masa que transporta la luz (es una partícula fundamental del modelo de física de partículas). El fotón transporta la fuerza electromagnética. Las ondas electromagnéticas transmiten energía, y estan producidas por la vibración de las partículas cargadas y viajan a través del espacio a la velocidad de la luz. Esa velocidad se ve influida por el medio donde se propaga, porque a nivel subatómico los fotones son capturados y emitidos, incluso en el vacío, donde aparecen espontaneamente partículas y antipartículas. Incluso, y esto es muy sorprendente, el propio universo se está expandiendo a velocidades superiores a la de la luz (y no contradice nada, pero eso lo contaremos en otro momento, es como si el universo conspirara para que no veamos la luz del Big Bang, que está detrás de la radiación de fondo de microondas). La luz conforme viaja por el espacio va perdiendo energía, y con esa expansión llegará un momento que no exista contacto visual con parte del universo observable actual.

La luz es la forma más pequeña de energía que puede ser transportada, es una onda electromagnética (EM). El fotón no puede ser dividido, posee una dualidad onda-partícula, es una onda y una partícula paralelamente. Todas las ondas EM están formadas por fotones, que viajan a la velocidad c, lo que varían son sus frecuencias, viajan en dos ondas perpendiculares (eléctrica y magnética) y a su vez ambas perpendiculares a la dirección de avance. La luz, como onda EM que es, no necesita ningún medio para propagarse. Las ondas EM tienen una longitud de onda λ entre sus crestas, y el número de ondas que pasan por un punto en un segundo es f su frecuencia. Una onda por ciclo por segundo es lo que se llama Herz o herzio. Al añadir energía aumenta la frecuencia de la onda, y hace que la longitud de onda sea más corta. En este momento te están golpeando ondas de todo tipo en el lugar donde te encuentras, aunque sólo distingues las visibles. Las ondas EM se caracterizan por su amplitud (A), frecuencia (f), velocidad (c) y longitud de onda (λ). Los fotones, que forman la luz, son paquetes discretos de energía (quantum) sin masa y velocidad c, su frecuencia f=c/λ, (c constante, significa que a mayor frecuencia f, menos longitud de onda λ). La energía de la onda es directamente proporcional a la frecuencia. La energía E de un fotón es E=h·f, (donde la constante de Planck, h=6,626·10^-34jul·sg) sustituyendo f será E=h·c/λ de un fotón del espectro visible violeta de 400 nm (nanómetros, 1nm=10^-9m), sería de E=4,96·10^-19Jul=3.105 ev (siendo la equivalencia del electron-voltio 1ev=1,6 ·10^-19Jul). El sol es la principal fuente de luz natural, aunque emite todas las ondas del espectro, y la enorme energía procede de la fusión de sus átomos de hidrógeno.

Entender lo que sabemos de la luz ha sido muy difícil, en ello han participado históricamente los grandes científicos de primera fila, como Aristóteles, Descartes, Newton, Planck o Einstein (que la veían como partícula) o Fresnel, Young, Hertz, Maxwell o Huygens (que la veían como onda). La luz tiene propiedades de onda y de partícula, algo que es un reto científico. Dependiendo del experimento que hagamos la luz se comporta como una onda, cuando la hacemos pasar por una ranura se dispersa con disfracción como se comportan las ondas. Pero la luz muestra también comportamiento de partícula (como una partícula con el efecto fotoeléctrico) con cantidades discretas (cuánticas) de energía indivisibles, y a esas partículas se les llama fotones (se representan como pequeñas líneas onduladas). Pero no es nada extraño, cuando vemos la proyección de un cilindro en distintos planos de vista se ve distinto (¿es un cuadrado o un círculo?, pues no es ninguna de las dos, es: un cilindro), así de caprichosa es la naturaleza, y entender como es la luz todavía no se sabe realmente. Las ondas EM se clasifican atendiendo a su longitud de onda en el espectro EM. La mayoría de los objetos reflejan la luz, absorben parte de las ondas que reciben y emiten otra parte del espectro, y su color es consecuencia de ello. La luz se propaga en el vacío en todas las direcciones del espacio y en linea recta (si no se ve alterada por el medio) y tiene distinta interacción con la materia según su naturaleza (gas, líquido, sólido,..).

La luz visible es sólo una pequeña parte del espectro electromagnético, pero es la única del espectro que se propaga a través del agua, y ahí surgieron los primeros ojos, que evolucionaron hasta los actuales nuestros. Por eso vemos ese espectro (y por eso lo llamamos «visible»), porque era la diferencia entre la vida y la muerte en la evolución. El espectro electromagnético es algo que nos rodea, y que no se puede ver, ni tocar, ni sentir, en su mayor parte. Pero forma parte de nuestro día a día, sin ellas no podríamos existir. Cuando las ondas electromagnéticas impactan con las moléculas de un cuerpo, de ellas parte de la luz visible refleja su color hasta nuestros ojos, otro tipo de ondas son absorbidas y reflejadas. La ondas electromagnéticas están distribuidas en un amplio espectro, desde los rayos cósmicos y gamma muy cortos, a rayos X, los rayos ultravioleta, la luz visible, los infrarrojos, las microondas, hasta las ondas de radio que pueden medir más que montañas o incluso monstruosas como planetas. Muchos aparatos y electrodomésticos funcionan gracias a estas ondas. Para poder apreciarlas se han tenido que inventar otros «tipos de gafas» para podamos utilizar y ver más allá de la luz visible: permitiendo radiografías con rayos X, estudiar con la longitud de onda la composición química, temperatura y densidad a partir de su firma espectral, televisión, radio, radioastronomía con antenas gigantes, microondas para telefonía y radares doppler meteorológicos, con infrarrojos mandos a distancia, detectar el calor de los cuerpos incluso en la oscuridad, objetos en el universo no visibles, vegetación y temperatura de la tierra, radiación gamma para matar células, …..

En física clásica las velocidades se suman al viajar en el mismo sentido, pero esto no sucede con la luz, siempre va a la misma velocidad. Albert Einstein postuló dos cosas: 1) el principio de la Relatividad: todas las leyes de la fisica son iguales en todo el universo (no cambian), en todos los sistemas de referencia inerciales. En otras palabras, no existe un sistema inercial de referencia privilegiado, que se pueda considerar como absoluto. 2) La velocidad de la luz es siempre la misma, independientemente del observador, se mueva o no. La Invariancia la velocidad de la luz es una constante universal. Esto tan sencillo de decir tiene implicaciones brutales, si voy a una velocidad cercana a la luz, me adelanta un rayo de luz y mido su velocidad ésta será c (no la diferencia entre mi velocidad y la de la luz, como sucedería entre velocidades corrientes cuando voy a 100 km/h y mido 20 km/h de diferencia cuando me adelantan a 120 km/h); es decir, da igual a la velocidad que vayamos, la luz siempre la mediremos a 300.000 km/s. Esto es intuitivamente anormal, porque si voy corriendo al lado de un rayo de luz a su misma velocidad, no lo vería parado, lo vería a 300.00 km/s (la luz siempre va a la velocidad de la luz). La distancia que medimos de los objetos dependerá de nuestra velocidad respecto de ellos, cuanto más rápido vamos las distancias se acortan. La teoría de la relatividad rompe con las leyes de Newton. Si v=s/t en la ecuación de Newton, para la velocidad de la luz c=s/t , y al movernos la distancia s es menor, la única manera de mantener así constante a c, es que el tiempo t tambien sea menor. La distancia s (espacio) y el tiempo t son relativos a la velocidad del observador. No se puede decir con sentido absoluto que dos acontecimientos hayan ocurrido al mismo tiempo en diferentes lugares. Si dos sucesos ocurren simultáneamente en lugares separados espacialmente desde el punto de vista de un observador, cualquier otro observador inercial que se mueva respecto al primero los presencia en instantes distintos. Como nada en el espacio está en reposo, el tiempo nunca es constante; la velocidad frena el tiempo. Vivimos en un universo de 4 dimensiones (al menos), donde el tiempo es una dimensión más.

El tiempo siempre va hacia adelante, debido a la segunda ley de la termodinámica (la entropía) donde las cosas van del orden al desorden. Incluso a nivel subjetivo la percepción del paso del tiempo (que se esfuma cada segundo ante nuestra percepción) es diferente dependiendo de las personas, de la edad biológica,..etc. Hawking dijo que estamos atrapados en un cerebro que interpreta el tiempo en términos de pasado, presente y futuro. En teoría nuestro pasado sigue existiendo en alguna parte, en un distintos espacios-tiempos, aunque sucedío en el mismo donde estamos ahora. Tu yo actual ya no ocupa el mismo espacio-tiempo de hace un segundo. Y percibimos el tiempo de distinta manera, por ejemplo si miramos el segundero de un reloj lo vemos a nuestra manera, una tortuga lo ve moverse 2 veces más rápido, y una mosca 4 veces más lento, se debe a la velocidad de nuestros sistemas nerviosos y el ritmo de fusión del parpadeo. Los insectos nos ven a cámara lenta y tienen tiempo de reaccionar antes de alcanzarlos. El tiempo es una dimensión más donde nos movemos, y la procesamos como una ilusión creada por el cerebro.

El Universo se vuelve extraño a la velocidad de la luz, puesto que el tiempo y el espacio no son constantes, la distancia entre dos puntos varía según a la velocidad a la que nos movamos, y lo mismo sucede a la velocidad con la que pasa el tiempo. Y esto no es una ilusión óptica, realmente el espacio y el tiempo varían: el tiempo se dilata pasando más lento sin que lo notemos, se produce una aberración contrayéndose nuestro campo de visión en una ventana diminuta en forma de túnel, y un efecto Doppler donde las estrellas delanteras se agrupan volviéndose azules y las traseras se expanden y se ven rojas. Cuando vamos a velocidades próximas a la luz el universo entero se curva y contrae en dirección hacia nosotros. A medida que nos acercamos a la velocidad de la luz el tiempo se ralentiza, respecto a quien se haya quedado en la Tierra, de manera que varias horas se pueden convertir en siglos; es decir, si vamos a velocidades próximas a la luz viajamos al futuro. Si fuésemos a la velocidad c de la luz el tiempo se detendría, eso le sucede a los fotones, para ellos no pasa el tiempo. Para quien está fuera ve que para ir de un punto A a un punto B la luz tardaría un tiempo, pero para quien está montado en un fotón el viaje sería instantaneo, independientemente de lo que tardaría un observador externo en verlo. Por eso no tiene sentido hablar de una velocidad mayor que la de la luz, porque todo el espacio y el tiempo están comprimidos cuando viajamos a la velocidad de la luz. La velocidad de la luz en realidad es infinita, porque el tiempo depende de la velocidad, y eso es lo que les sucede a los fotones, son eternos; si fuésemos la luz y tuviésemos consciencia, percibiríamos que todas las cosas están sucediendo al mismo tiempo.

Viajar en el tiempo es muy sencillo, lo estamos haciendo, cada minuto viajamos hacia adelante un minuto en el tiempo. Pero para avanzar en el tiempo de forma distinta a los demás debemos hacerlo a velocidad diferente. A medida que nos movemos más rápido, más ralentizamos el tiempo, respecto a quienes permanecen inmóviles. Este efecto se llama dilatación temporal, y se puede utilizar para viajar al futuro en velocidades próximas a la de la luz, sobre todo. Para avanzar 500 años hacia el futuro, deberíamos viajar al 99,99% de la velocidad de la luz durante 7 años. Habríamos envejecido sólo 7 años, mientras habrían pasado 500 en la Tierra. Viajar a velocidades próximas a la velocidad de la luz significa viajar en una máquina del tiempo al futuro, si aplicamos al tiempo el factor de Lorentz t´= t/√(1−v²/c²) aumenta cada vez que nos aproximamos a la velocidad de la luz. No es posible viajar a c, porque si viajásemos o superásemos la velocidad de la luz, todo sucedería a la vez; incluso alcanzaríamos las luces delanteras de nuestro vehículo, antes de que se produjesen. La ley del universo no permite viajar a la velocidad (o más) de la luz, entre otras cosas porque existe el principio de causalidad, es decir, las causas producen efectos, y los efectos tienen causas anteriores. Podría decirse que la velocidad de la luz es la velocidad del tiempo, nada puede ir más deprisa que el propio tiempo. Sin un límite de velocidad el universo hubiese terminado su existencia desde el momento de su propio origen. Necesitamos un tiempo para que la vida exista y se desarrolle, nada impide que el universo sea sólo luz, un todo, la luz no tiene tiempo. Si existiese velocidad infinita muchas civilizaciones nos hubiesen visitado, la galaxia sería más fácil de ser colonizada, con alta probabilidad de autodestrucción del mismo universo. Las leyes universales son iguales para todos, nos guste o no. Por otro lado superar la velocidad de la luz v>c supondría una raiz negativa en las ecuaciones de Einstein E=mc²/√(1−v²/c²), significaría salir del universo que conocemos.

La energía de una partícula en movimiento es E²=(mc²)²+(pc)² , donde m es la masa de la partículas en reposo, y p es el momento lineal p = m_mv. La fórmula E=mc² sólo es válida para partículas en reposo donde su momento lineal p=0. Cuando es un fotón m=0, entonces E=pc. La masa en movimiento m_m = m/√(1-v²/c²) aumenta con la velocidad, de manera que cuando se aproxima a la velocidad de la luz la masa tiende a infinito, y por tanto la energía necesaria para acelerarla tambien tiende a infinito; consecuentemente el objeto se transformaría en en energía. Pero ese límite en la práctica es inalcanzable, sólo se ha hecho con pequeñas partículas, y sólo se ha llegado a casi c. Hay que tener en cuenta que la velocidad de un objeto es v=c·pc/E, medida que pc se aproxima a E, la velocidad v se aproxima a la de la luz, pero la hipotenusa E siempre es mayor que el cateto pc, es decir pc<E. Luego la velocidad de un objeto, con masa, nunca podrá alcanzar la velocidad de la luz v<c. Para calcular la energía necesaria para que un objeto viaje a la velocidad de la luz, nos encontramos que esa energía debe ser infinita, E²=(mc²)² + (pc)². Para objetos con masa no sería posible ni con toda la energía del universo. Los fotones si pueden, pero porque no tienen masa. La velocidad de la luz es un límite que no se puede superar. Esta teoría de Einstein se ha confirmado experimentalmente, se ha comprobado que los satélites (a gran velocidad fuera de la Tierra), sus relojes van más lentos.

Si tuviésemos una tecnología que nos permitiera acelerar una nave al 99% de la velocidad de la luz, a esa velocidad no sentiríamos nada porque mientras no aceleremos da igual la velocidad a la que nos movamos. Ahora mismo la Tierra va rotando en el ecuador a 1.670 km/h y a 107.208 km/h alrededor del Sol, la velocidad del Sol por la galaxia es de 792.000 km/h, y la Vía Láctea se desplaza a 468.500 km/h con destino a Andrómeda, y se desplaza hacia Hidra el Gran Atractor a 2.160.000 km/h. Es decir; sumando todas las velocidades, nos estamos moviendo a una velocidad en torno a 3.500.000 km/h, y no notamos nada porque es constante. Si frenáramos de repente imagina lo que pasaría (empezando por casi la desintegración de la Tierra); pues lo mismo sucede si aceleramos de repente. Por lo tanto la velocidad de la luz deberíamos alcanzarla con una aceleración suave durante un año, para evitar la muerte, deberíamos ser capaces de eliminar la inercia (resistencia al movimiento), y superar el medio ambiente espacial que pone en peligro el cuerpo humano para no morir en segundos, las escasas partículas impactarían a gran velocidad sobre la nave destruyendo la nave y cualquier rastro de vida. Ningún blindaje frontal nos libraría de la radiación ionizante. Un objetivo más humilde sería viajar al 10% de la velocidad de la luz, alcanzando la estrella más cercana (Próxima Centauri a 4,24 años luz) en 40 años de viaje. Si pudiésemos viajar a la velocidad de la luz y atravesar la galaxia, sería un viaje sin retorno o generacional, porque a la vuelta, la Tierra sería un planeta irreconocible, donde habrían pasado cientos de miles de años. Por ejemplo para ir a Alfa Centauri al 99% de la velocidad de la luz, para un observador de la Tierra tardaríamos 9 años, sin embargo dentro de la nave espacial pasarían 30 horas en ida y vuelta. Como no se puede viajar a más de la velocidad de la luz, existe el cono de luz, es decir las regiones del espacio-tiempo causalmente desconectadas. Nada de lo que suceda en su vértice puede afectar a cualquier punto del espacio-tiempo en el exterior del cono, porque necesitaría algo que viaje más rápido que la luz (y no es posible). Solo lo que está en el cono del pasado afecta al vértice, y éste solo puede afectar al cono del futuro. Cuanto estamos sentados estamos viajando (en el tiempo y hacia el futuro), a medida que aumentamos la velocidad en el espacio estamos recortando a nuestro viaje por el tiempo.