domingo, 3 de marzo de 2019

¿Por qué la luz se mueve a la velocidad de la luz? - Alberto Aparici

¿Por qué la luz se mueve a la velocidad de la luz?
(Por Alberto Aparici)



Seguro que os parece que ésta es una pregunta un poco tonta.

Y si Albert Einstein no hubiera descubierto la teoría de la relatividad como lo hizo, probablemente lo sería. Pero pensad lo siguiente: la relatividad cambió lo que pensábamos sobre el espacio y el tiempo. Nos descubrió que los relojes pueden marcar el tiempo a diferentes velocidades, y que las imágenes que vemos de objetos lejanos pueden aparecer deformadas debido a su movimiento o al campo gravitatorio. En los capítulos anteriores, sobre la teoría de la relatividad, se ha dado buena cuenta de muchos de estos efectos, y sabemos que la velocidad de la luz juega un papel importante en todos ellos: a velocidades bajas, como las de nuestra vida cotidiana, estos efectos son imperceptibles, pero se van haciendo más y más patentes cuando el movimiento es muy rápido, cercano a la velocidad de la luz. La pregunta es ¿por qué la luz? ¿Qué tiene la luz de tan especial para que tantos fenómenos físicos giren a su alrededor?

Para entenderlo, primero deberíamos recordar algo: a la luz le da igual lo rápido que nos movamos, ella siempre se mueve igual. Por extraño que parezca, éste es un hecho experimental muy bien establecido: la velocidad de la luz en el vacío es siempre 299.792,458 km/s. Si tuviéramos una nave espacial que pudiera moverse a 200.000 km/s y tratásemos de “perseguir” a un rayo de luz, veríamos que la luz huye de nosotros a 299.792,458 km/s. Si aceleráramos con nuestra nave espacial hasta 299.000 km/s el rayo de luz seguiría alejándose de nosotros a 299.792,458 km/s. Por desgracia no tenemos la tecnología para hacer estos experimentos con humanos en naves espaciales, pero sí podemos comprobarlo utilizando partículas subatómicas, que se mueven a velocidades altísimas, y mediante algunos dispositivos experimentales verdaderamente ingeniosos.

La física, desde luego, no se queda de brazos cruzados mientras la luz hace todas estas cosas extraordinarias: para que todos los observadores vean moverse a la luz a la misma velocidad las propias leyes del movimiento deben cambiar. Cosas aparentemente sencillas, como que si vamos en un coche a 50 km/h y el coche de delante va a 60 km/h nosotros lo veremos alejarse a 10 km/h, sabemos que no son estrictamente verdad. Son casi verdad cuando las velocidades son pequeñas, como 50 km/h o 10 km/h, pero dejan de ser verdad cuando nos acercamos al leviatán de las velocidades: la velocidad de la luz. Pero de nuevo ¿por qué la naturaleza ha escogido a la luz? ¿Por qué no a los electrones o a las ballenas o a cualquier otra cosa?

Un famoso experimento mental de Einstein nos da una pista para responder a esta pregunta. Einstein se preguntó qué sucedería si pudiésemos movernos a la misma velocidad que un rayo de luz, si pudiéramos ver a la luz en reposo, congelada delante de nosotros. A lo largo del siglo XIX se había descubierto que la luz es una onda electromagnética, un pulso de energía transportado por campos eléctricos y magnéticos en movimiento. Normalmente la electricidad y el magnetismo van ligados a cargas eléctricas: allá donde hay un electrón éste genera un débil campo eléctrico, y si el electrón se pone en movimiento tendremos, además, un campo magnético. Pero también hay otra manera de producir estos campos: si un campo eléctrico cambia con el tiempo parte de su energía se va a emplear en generar un campo magnético; y lo contrario también es verdad: un campo magnético variable generará inmediatamente un campo eléctrico. Este fenómeno, por el cual la electricidad genera magnetismo y el magnetismo genera electricidad, se llama inducción electromagnética.

Una onda electromagnética consiste en un campo eléctrico variable que genera por inducción un campo magnético un poco por delante de él. Este campo magnético también es variable, y genera a su vez un campo eléctrico un poco por delante. De esta forma, el campo eléctrico y el magnético se van “turnando” y se mueven por el espacio como si tiraran el uno del otro, empujándose para dar el siguiente paso. Normalmente las ondas electromagnéticas tienen su origen en un conjunto de cargas que se mueven de la forma adecuada –por ejemplo, los electrones que se mueven dentro de una antena–, pero una vez son liberadas al espacio se propagan de manera autónoma y ya no necesitan a las cargas porque es la inducción la que las sostiene. No es la luz el único fenómeno que se podía explicar mediante ondas electromagnéticas: las ondas de radio, los infrarrojos, y después también los rayos ultravioleta o los rayos X, son diferentes tipos de ondas electromagnéticas que se diferencian en que unas transportan más energía que otras.

Einstein, pues, se planteó qué sucedería si pudiésemos perseguir a una de estas ondas, alcanzarla y verla congelada delante de nuestros ojos. La conclusión fue bastante desagradable: la onda debería desaparecer, volatilizarse en el momento en que la alcanzáramos. Como el fundamento de la inducción es que los campos que forman la onda estén cambiando continuamente, si logramos “pararlos” la inducción también se para y la onda, sencillamente, deja de existir. En física siempre es mala noticia que las cosas se esfumen, y en este caso la noticia no tenía ni pies ni cabeza: si Einstein estaba en lo cierto, un observador parado podría ver una onda electromagnética viajando, por ejemplo, de una antena a otra entre dos edificios, y transportando información entre ambos lugares. Sin embargo, el observador que persigue a la onda y logra que desaparezca no vería nada viajando de un edificio a otro: la información le llegaría al receptor sin nada que la transporte, como si fuera magia. Einstein concluyó que el segundo observador no podía existir. La física, fuera como fuese, tenía que ingeniárselas para que nadie pudiese alcanzar a un rayo de luz o a una onda de radio, o de lo contrario éstas podrían aparecer y desaparecer como un fantasma, y con ellas la energía que transportan.

Esta idea fue la que llevó a Einstein a proponer que tal vez la velocidad de la luz no se viera afectada por el movimiento del observador. Era una buena manera de hacer a la luz “inalcanzable”, porque por muy rápido que nos moviéramos el rayo de luz siempre se estaba alejando de nosotros. En el fondo, el motivo no era que la luz fuese muy especial, sino que la luz, por su propia naturaleza, tiene que estar en movimiento o de lo contrario desaparecería. Lo que Einstein descubrió cuando dijo que la velocidad de la luz es constante es que hay una especie de “velocidad de las cosas que son solo movimiento”, y que esa velocidad tenía que ser la misma para todos los observadores en todos los lugares del universo.

Hay otra forma de ver este mismo fenómeno. Es archifamosa la fórmula de la relatividad especial E=mc2, que expresa que la masa es una forma de energía y que la energía se puede transformar en masa. Es menos conocido que ésta es una fórmula para objetos en reposo, y su forma completa es E=γmc2, donde γ es el factor de Lorentz, una cantidad que depende de la velocidad del objeto. El factor de Lorentz vale 1 cuando la velocidad es cero, y se hace más y más grande, hasta infinito, a medida que la velocidad aumenta. De esta manera la fórmula nos informa de que un objeto va acumulando más y más energía a medida que su velocidad aumenta, pero que incluso cuando su velocidad es cero posee algo de energía: la que está almacenada en su masa.

Esta fórmula es válida para casi todos los objetos de nuestro universo. La luz, y las ondas electromagnéticas en general, es uno de los que no cumplen esta relación. La razón es sencilla: la luz no almacena ninguna energía a velocidad cero. Como Einstein intuyó, si un rayo de luz se para su energía se volatiliza. Los físicos solemos expresar esto diciendo que la masa de la luz es cero, mluzc2 = Eluz(v=0) = 0, o lo que es lo mismo: que la luz almacena toda su energía en forma de movimiento.

No es la única que lo hace. Como hemos dicho antes, todas las ondas electromagnéticas comparten esa propiedad: ondas de radio, infrarrojos, rayos ultravioleta, rayos X, rayos gamma… También se comportan así las ondas gravitacionales, las ondulaciones en el espacio-tiempo que transportan la gravedad de un lugar a otro. Y se ha propuesto la existencia de otras partículas que deberían tener masa cero y moverse a la velocidad de la luz, aunque ninguna de ellas ha sido descubierta, al menos por ahora.

En definitiva, ahora podemos dar respuesta a nuestra pregunta: el universo no tiene ninguna predilección especial por la luz, pero las leyes de la física reconocen la existencia de una serie de objetos que, por una razón o por otra, solo pueden existir si están en movimiento. Para esos objetos la física reserva una velocidad especial, c=299.792,458 km/s, que es la misma en todo el universo y para todos los observadores y que, además, no puede ser alcanzada por ningún observador, de forma que estos objetos especiales aparezcan en movimiento a los ojos de todo el mundo. Nosotros llamamos a esa c “velocidad de la luz” únicamente porque la luz fue el primero de esos objetos que pudimos observar, y el que mejor conocíamos en el momento en que la física estuvo madura para abordar esta cuestión. Pero igualmente podríamos decir que c es “la velocidad del movimiento absoluto”, y que la relatividad, irónicamente, no deja de ser una teoría sobre qué le pasa a la física cuando entra en escena un movimiento que no es relativo, sino absoluto.


Alberto Aparici
Doctor en Física
Instituto de Física Corpuscular, Universidad de Valencia, Onda Cero
https://www.ondacero.es/programas/la-brujula/equipo/alberto-aparici/





7 comentarios:

  1. "se planteó qué sucedería si pudiésemos perseguir a una de estas ondas, alcanzarla y verla congelada delante de nuestros ojos. La conclusión fue bastante desagradable: la onda debería desaparecer [...] La física, fuera como fuese, tenía que ingeniárselas para que nadie pudiese alcanzar a un rayo de luz u onda de radio, o de lo contrario podrían aparecer y desaparecer como un fantasma, y con ellas la energía que transportan"

    Parece razonable, pero sin embargo, en un experimento mental similar en el que un observador se mueve con la misma aceleración que la carga que crea el campo eléctromagnético, parece ser que no hay consenso entre los físicos sobre si ése observador detectaría radiación o no. Como en su sistema de referencia la carga no está acelerada, hay quien dice que en ese sistema la carga no radia. Al igual que se argumenta arriba, me parece difícil aceptar que la emisión de energía en forma de radiación exista o no dependiendo del sistema de referencia del observador. Pero hay quien lo sostiene, según tengo entendido.

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  2. CO2 + láser UV → C + O2... 3d bioprinting = Inmortalidad = ir a las estrellas

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  3. ...viaje interestelar sin aceleración constante (láser)... L=2*3.14*r... ese haz del puntero láser que giramos 180º, de horizonte a horizonte, en 1 segundo y que en 4 imaginarias pantallas semicirculares situadas, por ejemplo, a las distancias de la Tierra... 1: 95493 kms... 2: Luna (384403 kms)... 3: Sol (150 Millones de kms, 1.5*10^8)... 4: Andrómeda (2 millones años luz...19 Trillones de kms, 1.9*10^19)... La marca del puntero al llegar se desplazaría lateralmente a lo largo de cada pantalla a una velocidad angular de 180º/segundo y a una velocidad lineal, referida a la de la luz, de...(3.14*r)/c... km 95493=1c... Luna=4c... Sol=1570c... galaxia de Andrómeda= 198 Billones*c, (1.98*10^14)*c... Si giramos el puntero hacia la derecha, ¿por qué razón se iba a curvar cada haz láser hacia la izquierda, para no sobrepasar c, a partir del km 95493, radio "frontera" en el que la velocidad de la marca láser sobre la pantalla = c ?... Las magnitudes decrecientes tienen un límite próximo, pero las crecientes...tienen un límite "infinito" que sepamos, entendiendo aquí por "infinito", al menos, una cifra exorbitante... como pasa con TEMPERATURA (-273 ºC → "infinito")... MATERIA (quark → "infinito")... TIEMPO (0 → "infinito")... ESPACIO (0 → "infinito")... ¿por qué razón iba a ser VELOCIDAD diferente?...(0 kms/seg → "infinito")...

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  4. (2a)...viaje interestelar sin aceleración constante (láser)... un haz de luz que gira no es un haz de luz que gira...si fuera 1 solo haz incluso infinitesimal fuerza centrífuga del giro quizás rompería el haz lanzando sus fotones tangencialmente en línea recta, como la piedra de una honda que se rompe. La luz que llega de una giratoria estrella púlsar es algo parecido, al igual que el giratorio puntero láser, cada haz que sale de la giratoria fuente es un rayo de luz independiente de longitud limitada que solo va en línea recta: fuente enciende haz comienza; fuente gira ese haz termina, se apaga, y se enciende otro haz en la nueva dirección... Fotón, su masa "se cree" que es cero, pero... Fotón, MASA "relativista" M = E/c²... constante h=6.626*10^-34 julios-seg... v, frecuencia ej. luz roja=4*10^14 Hz...ese fotón energía E = h*v; E = (6.626*10^-34) * (4*10^14); E = 2.6504*10^-19... ese fotón MASA M = E/c²; M = (2.6504*10^-19) / (9*10^16); M = 2.944889*10^-36 kgs... ese Fotón MASA "relativista" ~29 diezsextrillonésimas de kg ______ 4 Pantallas, infinitesimal Fuerza Centrífuga en kgs de ese Fotón, según enormes G centrífugas... 1: 95493 kms (96,105,971g)=2.8*10^-28 (~28 cienmilcuatrillonésimas de kg)... 2: Luna 384,403 kms (386,870,541g)=1.1*10^-27 kgs (~11 diezmilcuatrillonésimas de kg)... 3: Sol, 1.5*10^8 kms (150,962,873,002g)=4.4*10^-25 kgs (~44 ciencuatrillonésimas de kg)... 4: Andrómeda, 1.9*10^19 kms (913,135,316,143,368g)=2.7*10^-21 kgs (~27 diezmiltrillonésimas de kg)... Cuando fuente gira, cada marca láser individual sobre la pantalla tiene velocidad cero, no se mueve, llega y se desvanece, como una hilera de bombillas que se van encendiendo y apagando una tras otra, de la primera a la última velocidad hiperlumínica, pero No es la velocidad de un móvil porque No hay ningún móvil.

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  5. Este comentario ha sido eliminado por el autor.

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  6. La luz va a esa velocidad en el vacío, en el agua es 200.000 km /s. Se Se teoriza que en el vacío absoluto su velocidad sería infinita, pero es ralentizada al chocar con las partículas que aparecen espontáneamente en el espacio vacio

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  7. ...viaje interestelar aceleración constante (hacia el infinito)... 1 Millón G, manteniendo las áreas habitables a 1g con transformadores gravitatorios...tiempo para alcanzar velocidad-luz=30.6 segundos...total tiempos viaje: estrella Altair (17 años luz)=3 días... estrella Deneb (2,000 años luz)=32 días... galaxia Gran Nube Magallanes (150,000 años luz)=9 meses... galaxia Andrómeda (2 millones años luz)=2.78 años... galaxia M-100 (35 millones años luz)=11.66 años... Hacia el Infinito→ galaxia Abell 1835 (13,200 millones años luz)=226 años...(cuando llegamos sus primeras estrellas ya se habían apagado=...velocidad máxima a la mitad de este trayecto=116 Millones*c...(34.98 Billones km/seg, 3.7 años-luz/seg)... Hacia el Infinito→...

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