La Luz, ondas electromagnéticas y relatividad.

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=6,626·10-34 jul·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, ….. Sigue leyendo

Fusión Nuclear: IFMIF-DONES en Granada

La fusión nuclear, en una u otra de sus opciones tecnológicas, es una opción clara e ineludible en el futuro del abastecimiento energético de una sociedad cada vez más demandante de energía. No parece previsible que esa sociedad que vive en estos momentos bajo un consumo basado en los procesos de transformación de la materia y los recursos naturales, para lo que la energía es imprescindible, rebaje el listón de su demanda. Las energías renovables ocuparán un lugar fundamental en nuestro futuro esperando un incremento de su uso que pasará de un 25% actualmente a 37% en 2040. El proyecto de más relevancia y a su vez el más internacional es el conocido como ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), proyecto liderado por la Unión Europea, EE.UU., Rusia y Japón. El objetivo final de todos estos experimentos es construir un dispositivo en el cual, calentando y confinando el combustible (mezcla de deuterio-tritio) el tiempo suficiente, se produzca la reacción de fusión, generando más energía que la aportada. El desarrollo de ITER (aún experimental) y de sistemas similares no tendrá frutos hasta el comienzo de los 2030. De ese paso a un sistema DEMO y comercial conectado a la red quedará aún una o dos décadas al menos.

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La fusión nuclear es un tipo de reacción nuclear en el que dos nucleidos (generalmente ligeros) se unen para formar un nucleido más pesado. Las reacciones de fusión que desprenden energía (reacciones exotérmicas) pueden utilizarse para producir energía útil siempre y cuando se controle el proceso de fusión. Para ello es necesario calentar la materia a temperaturas de cientos de millones de grados, obteniendo un plasma, y confinar este plasma en un volumen determinado para que las reacciones de fusión tengan lugar. Este es el objetivo de los proyectos actuales de fusión por confinamiento magnético y de fusión por confinamiento inercial.

2H + 3H → 4He + 1n + Energía

(la fusión de deuterio y tritio, da lugar a energía, un núcleo de helio y un neutrón)

Nuclear Fusion

Las reacciones nucleares exotérmicas (generan energía) teniendo en cuenta la equivalencia masa-energía E = mc2, donde E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz en el vacío. Si la masa de los nucleidos iniciales es mayor que la de los nucleidos finales, su diferencia (llamada Q de la reacción, dada en 1 eV = 1,6022 . 10-19 J) será positiva y se producirá energía. Para la reacción de fusión nombrada anteriormente tenemos:

Q = m . ( 2H + 3H − 4He − 1n) . c2  = 17,59 MeV > 0

A pesar de esto, no es sencillo obtener esta energía. Aunque la reacción sea exotérmica, no basta con mezclar deuterio y tritio en un reactor para que ésta se produzca, los nucleidos han de estar a temperaturas muy altas: del orden de 10 000 000 oC en el núcleo del Sol, 150 000 000 oC en un tokamaks como el del ITER.

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El confinamiento a escala de laboratorio se realiza usando campos magnéticos (ya que el plasma está formado por partículas cargadas) o la inercia de la materia acelerada (leyes de Newton). En el primer caso hablamos de confinamiento magnético (usado en tokamaks y stellarators), mientras que Sigue leyendo

Ondas Gravitacionales: avance histórico confirmando su existencia.

Las Ondas Gravitacionales fueron postuladas ya por Albert Einstein en su teoría de la Relatividad General hace ahora 100 años. Según la Teoría General de la Relatividad hay objetos que al viajar por el espacio convierten parte de su masa en energía y la desprenden en forma de ondas que viajan a la velocidad de la luz y deforman a su paso el espacio y el tiempo; y crean estas ondas lo mismo que la estela de un barco al moverse o las de una piedra al caer en un estanque.

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Ecuaciones de Maxwell.

Las ecuaciones de Maxwell no deben asustarnos por sus símbolos, se pueden explicar sus significados, lo importante es que unificaron la electricidad y el magnetismo en una sóla y unica fuerza: la electromagnética. Después hubo una nueva unificación con la fuerza nuclear débil en una única: fuerza electrodébil.

Estas ecuaciones son la descripción del campo electromagnético: el campo eléctrico, el campo magnético, su origen, comportamiento y relación entre ellos, incluyendo las ondas electromagnéticas como la luz. Básicamente, con estas ecuaciones es posible saber cómo va ser y cómo va a comportarse el campo electromagnético en una región determinada. El conjunto de estas ecuaciones describe cosas como la corriente eléctrica, los imanes, los rayos, la electricidad estática, la luz, las microondas, las ondas de radio…

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Tipos posibles de civilizaciones: Escala de Kardashov

Aunque hay quien ha argumentado que no podemos entender a las civilizaciones avanzadas y por lo tanto, no podemos predecir su comportamiento. A la hora de plantearnos qué futuro tenemos como civilización dentro de un universo prácticamente desconocido y del que, a día de hoy, no tenemos noticias de ninguna otra, aunque si estamos descubriendo planetas en los cuales eventualmente podrían tener condiciones para desarrollar algún tipo de vida.

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12 ecuaciones que cambiaron la historia de la Humanidad

Como matemático siempre he considerado que nuestro lenguaje es un lenguaje que tiene sus propias reglas (las de la lógica y la razón), es un lenguaje universal (vale para toda la raza humana) y sobre todo es el lenguaje de la ciencia (el de las reglas de la naturaleza). Además es un lenguaje del que todavía estamos dando los primeros pasos y queda mucho por escribir.

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Necesitamos una nueva economía para un mejor futuro (II).

Como terminamos diciendo en el anterior post es transcendental distinguir lo urgente de lo importante. En este cometido deben poner todo su empeño todas las administraciones desde las municipales, autonómicas, el gobierno central y la UE.

Members of the Mortgage Victims' Platform shout slogans during a protest outside a Banesto Bank branch in Valencia

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