miércoles, 30 de noviembre de 2011

Los Fotones son Eternos.


Durante siglos físicos y químicos se han preguntado sobre la naturaleza de la luz, si tienen propiedades de onda o de partículas.  Robert Hooke (el de la ley de los resortes), propuso que tienen propiedades de onda tras investigar los fenómenos de refracción, su teoría fue apoyada por Huygens.  Sir Isaac Newton propuso que la luz se compone de partículas muy pequeñas, a manera de misiles, porque se transmite en el vacío (las ondas necesitan un medio de propagación) y un rayo de luz se mueve en línea recta.  No hubo un consenso sobre el tema y se propuso la teoría del éter luminífico que llenaba el espacio para explicar la propagación de la luz, sin embargo, las mediciones no concordaban con la teoría del éter, una de las suposiciones era que el éter es como el viento y por lo tanto el movimiento de traslación de la tierra debería variar conforme el planeta se moviera a favor o en contra de la corriente del éter; las mediciones no encontraron diferencia alguna.  A fines del siglo XIX y principios del siglo XX un alemán de origen judío, Albert Einstein, tras estudiar los trabajos de Planck (el de la física cuántica), Maxwell y Lorentz, propuso la teoría corpuscular de la luz, que decía que la luz consiste de pequeñas partículas emitidas en forma discreta con propiedades de onda y de partícula y que no necesitan de ningún medio para propagarse, por lo que se desechó la teoría del éter, posteriormente un físico francés de familia noble, Louis de Broglie amplió el concepto.  Los fotones son los responsables de lo que nosotros llamamos luz y color, ya que en forma de partícula se mueven desde la fuente de luz hacia a nosotros y en forma de onda produce diferentes colores a diferentes longitudes de onda.  Los fotones se mueven a lo que se llama la velocidad de la luz, c, en el vacío es 299,792.458 km/s, una velocidad muy grande, según la teoría de la relatividad es lo más veloz en el espacio, para viajar a esa velocidad no es posible tener masa, por lo que se dice que el fotón tiene masa relativista, equivalente al concepto clásico de masa por la siguiente ecuación:

 
La energía del fotón viene dada por la longitud de onda:


En donde h es la constante de Planck, n la frecuencia y l la longitud de onda, de ésta manera mientras menor la longitud de onda mayor es la energía.  Según la longitud de onda de la luz (compuesta de fotones) es el color que vemos, la luz visible tiene longitudes de onda de alrededor de 380 nm hasta unos 740 nm, la luz de menor longitud de onda es el azul, inmediatamente debajo está la radiación ultravioleta (que es visible para las abejas), la de mayor longitud de onda es el rojo, contiguamente arriba de él está el infrarrojo (usado por algunos animales para detectar su presa por el calor emitido).



Nuestro sol es una enorme fuente de energía con una vasta reacción de fusión en el centro del sol, que está a millones de grados centígrados de temperatura, la superficie del sol (la fotósfera, que es la región de donde se origina la luz que percibimos de la estrella) está a unos 5000°C, lo que hace que el sol emita fotones de diversas longitudes de onda, por lo que emite fotones de todos los colores, lo que hace que nosotros veamos la luz del sol color blanca; otras estrellas como Betelgeuse en la constelación de Orión son más frías, con temperaturas de la superficie de 3000°C por lo que emiten fotones rojos; otras como Sirio en la constelación del Can Mayor son más calientes y emiten fotones azules, la temperatura de la superficie de Sirio es de alrededor de 10,000°C.

El título de la nota viene de un efecto en la teoría de la relatividad, los fotones se mueven a la velocidad de la luz y recorren la distancia del sol a la tierra en tan sólo 8 minutos con 18 segundos, aunque la distancia es enorme, son aproximadamente 150 millones de kilómetros (en realidad los fotones se mueven de forma aleatoria y les toma más tiempo llegar, pero si se movieran en línea recta llegarían a la tierra en el tiempo arriba mencionado).  Sin embargo, cuando una partícula, en éste caso los fotones de la luz, se mueven a la velocidad de la luz sucede algo sorprendente:



En la ecuación anterior t0 es el tiempo inicial y v es la velocidad de la partícula, se tiene una división entre cero, lo que equivale a un tiempo infinito, se dice propiamente que a la velocidad de la luz el tiempo se detiene.  También sucede algo interesante con la distancia:



En la ecuación anterior L0 es la distancia inicial.  La distancia se contrae, matemáticamente entonces la distancia es cero y se podría decir que desde un punto de vista el fotón no tiene longitud y que es una partícula bidimensional (en realidad se considera que no tiene dimensiones, es decir, que no tiene ancho, alto ni profundidad).  Desde el punto de vista del fotón el tiempo está congelado, detenido, y es una partícula estable no sujeta a decaimiento por lo que se puede decir que es eterno.