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

La importancia de la simetría en la existencia de la vida humana.

La simetría es un hecho muy intuitivo que siempre ha llamado la atención en el mundo artístico, y que hemos tenido delante de nuestras narices, en todo nuestro entorno, prestándole menos atención de la debida, y resulta que tiene unas consecuencias importantísimas en la comprensión del mundo físico y la vida. La simetría además de equilibrio, armonía y otras consideraciones que apreciamos a simple vista, tiene muchas forma de entenderse; desde la correspondencia exacta en forma, tamaño o posición, hasta una correspondencia en la disposición de las partes o puntos en relación con un centro, un eje o un plano; según la disciplina que la estudie. Hasta el punto de que las interacciones fundamentales tienen mucha importancia en la naturaleza y las pequeñas diferencias en esa simetrías dan lugar a la vida. Según Einstein las leyes físicas pueden ser deducidas de los requisitos de simetría.

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Relación entre Relojes atómicos, Navegadores GPS y Teoría de la Relatividad.

Einstein en su teoría de la Relatividad Especial, utilizando las transformaciones de Lorentz, postuló:

  1. Que las leyes de la física son iguales para todos los observadores inerciales (no acelerados).
  2. La velocidad de la luz en el vacío es siempre la misma, con independencia de la velocidad de la fuente de la luz con respecto al espectador.

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