Orquesta del sonido y la luz #2

En la edición pasada vimos cómo una onda mecánica es aquella que necesita un medio para propagarse y un ejemplo de esto era el propio sonido. Al final de esta, mencionaba que existía otro tipo de onda capaz de poder viajar en el vacío, es decir, no necesitan de un medio para propagarse y además viajan a velocidades mucho más altas que el sonido. Lo que nos reúne el día de hoy es una ínfima fracción de una de las discusiones más antiguas y fascinantes de la física, que desde hace más de 300 años poco a poco ha estado cambiando la forma en cómo podemos entender al universo; y, tras haber desvelado nuevos horizontes su compleja naturaleza sigue estando presente en ellos.

Existen muchos fenómenos en el universo como el magnetismo, el movimiento de cargas eléctricas o la gravedad que ocurren a distancia, es decir, no existe precisamente algún tipo de contacto o un medio para que estos interactúen. Los imanes y las cargas eléctricas no fallan en el vacío del espacio y mucho menos hay una cuerda que ancle la luna a la tierra.

¿Entonces cómo funcionan? En física, existe el concepto de “campos” el cual se puede ver como una propiedad medible en cada punto de una región del espacio a lo largo del tiempo. De esta manera, se puede asignar valores a cada punto del espacio que dependerán de la magnitud de la interacción y de la ubicación del punto que se considera.

Estos campos están por todos lados. Si uno intenta juntar el mismo polo de 2 imanes y notará la aparición de una fuerza de repulsión, que conforme los sigamos acercando esta será más fuerte y, si se invirtiera uno de ellos ahora la fuerza que aparecerá será de atracción que será más fuerte mientras más cerca estén. En ambos casos estamos observando la interacción de dos campos magnéticos. Por otro lado, si hacemos interactuar dos partículas eléctricas, digamos electrones, entonces tendremos la interacción de 2 campos eléctricos que bajo la ley de Gauss tenderán a repelerse.

Las personas que estudiaban la electricidad y el magnetismo como Michael Faraday y André-Marie Ampere se dieron cuenta de 2 cosas: la primera es que si se tiene un campo magnético variable obtendremos una corriente, es decir, activación del campo eléctrico (Ley de Faraday); y la segunda es que si se tiene una campo eléctrico variable en el tiempo obtendremos un campo magnético(Ley de Ampere-Maxwell).

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Cuando se habló sobre el infrarrojo se explicó que las partículas siempre están en movimiento, entonces, si estas tienen una carga eléctrica, provocarán un campo magnético y este campo magnético perturbará el campo eléctrico, haciendo que nuevamente se perturbe el campo magnético y así sucesivamente. Esta reacción en cadena que ocurre de forma inmediata en dirección de la propagación la conocemos como ondas electromagnéticas (Imagen 1) y a toda la familia de estas ondas las conoce como espectro electromagnético (Imagen 2).

La energía de las ondas electromagnéticas depende de su longitud de onda, es decir, que tan compactas están sus crestas por lo que también puede verse como que depende de su frecuencia (Imagen 3). Si tenemos una longitud de onda corta (en consecuencia, una alta frecuencia), estaremos en la región más energética del espectro electromagnético, aquí tenemos a los rayos cósmicos, los rayos gamma y los rayos-X. Mientras que si tuviésemos una longitud de onda larga (por ende, una baja frecuencia), estaríamos del lado menos energético del espectro donde encontramos la radiación infrarroja, las ondas de microondas y las de radio; las mismas que usamos para comunicarnos. Entre todo esto, en una pequeña fracción del espectro electromagnético encontraremos el espectro visible, es decir, lo que somos capaces de ver con nuestros ojos (Imagen 4).

Las ondas electromagnéticas, al igual que las mecánicas, nunca transfieren materia, únicamente energía. Antes se creía que la transferencia era mediante las propias ondas como el caso del sonido, sin embargo, con el tiempo aparecieron problemas con esto a la hora de describir la absorción y emisión de energía por parte de los átomos. Tras años de investigación Max Planck y Albert Einstein demostraron que la energía de las ondas electromagnéticas como tal no viaja en la onda sino en pequeños paquetes o partículas que viajan a la velocidad de la luz (300 000 kilómetros por segundo), no tienen masa, tampoco carga y hoy conocemos como “fotones”.

Los electrones de un átomo están organizados por niveles, y cada uno de estos tiene asociada cierta energía, mientras más alto sea el nivel más alta será la energía. Cuando un átomo absorbe energía, se dice que es excitado, y sus electrones saltan a un nivel de energía más alto; sin embargo debido a que a los átomos les gusta ser estables y este salto les priva de eso, emiten nuevamente este exceso de energía en forma de fotones a determinada longitud de onda y frecuencia mientras los electrones vuelven a sus niveles originales. Si estas se encuentran en un determinado rango, entonces nuestros ojos serán capaces de verla; de lo contrario, únicamente seremos capaces de notar sus efectos en algunos casos: la barra de metal que se calienta emite fotones cuya frecuencia se encuentra en el infrarrojo y cuando alcanza la suficiente temperatura los fotones tienen la suficiente energía como para alcanzar la frecuencia del color rojo; la flama en un soplete tiene un característico color azul debido a que la temperatura es tan alta que los fotones emitidos por los átomos son tan energéticos que su frecuencia alcanza la del color azul; y, si se alcanzara la suficiente temperatura se podría llegar a la emisión del ultravioleta, los que trabajan con ciertos métodos de soldadura sabrán de esto.

Aún nos quedan el resto de tipos de radiación, para algunos necesitaremos temperaturas muy altas y para otros no tanto. Más allá de plantearnos dónde encontraremos las condiciones adecuadas para que se genere la suficiente energía para que se produzcan estas radiaciones, vale la pena analizar las historias que nos cuentan tras haber viajado grandes distancias a través de “las tinieblas” del espacio.

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Los fotones que nos llegan del espacio, al igual que aquellos bardos de la antigua Europa, viajan para contar sus historias para que los conocimientos de estas no se pierdan con el tiempo. Hay bardos que ya han cumplido con su objetivo, y otros no del todo: quizás cayeron en un agujero y no pudieron continuar; quizás su viaje es tan largo que aún les quedan varias paradas más antes de llegar a nuestras tierras o hace mucho que presentaron su última canción; o quizás simplemente aún no han tenido el público que ellos desean, uno que sea capaz de captarlo que quieren decir; pero ellos esperan, no esperan nada, pero esperan.