muestra estrellas, gas, radiación y agujeros negros, entre otras fuentes. Pero la luz que proviene de todas estas fuentes, desde los rayos gamma hasta la luz visible y la luz de radio, siempre se mueve a la misma velocidad a través del espacio vacío: la velocidad de la luz en el vacío. NASA/ESA/SSC/CXC / STScI
No importa lo rápido que vayas, siempre hay una cosa que nunca podrás atrapar: la luz. La velocidad de la luz no es solo la velocidad más rápida que cualquier cosa en el Universo puede viajar, es considerada como una constante universal. Ya sea que brille una linterna, mire la Luna o el Sol, o mida una galaxia a miles de millones de años luz de distancia, la velocidad de la luz es lo único que nunca cambia. Pero es eso realmente cierto? Eso es lo que Violet Brettschneider quiere saber:
¿La luz siempre se mueve a la misma velocidad? Si se ralentiza por algo, ¿se mantendrá más lento después de que ya no se ralentice? ¿La velocidad volverá a la velocidad de la luz?
Comencemos con lo que la luz es en un nivel fundamental: una partícula.
los campos que se propagan a la velocidad de la luz definen lo que es la radiación electromagnética. La unidad más pequeña (o cuántica) de radiación electromagnética se conoce como fotón. Imagen de dominio público
Puede que no parezca una partícula cuando la veas procedente de una fuente de luz como una bombilla, una linterna, un puntero láser o incluso el Sol, pero eso se debe a que no estamos bien equipados para ver partículas individuales. Si usamos fotodetectores electrónicos en lugar de nuestros ojos, descubrimos que toda la luz del Universo está compuesta por el mismo tipo de partícula: el fotón. Tiene algunas propiedades que son las mismas entre todos los fotones:
- su masa (que es 0),
- su velocidad (que siempre es c, la velocidad de la luz),
- su spin (que es siempre 1, una medida de su momento angular intrínseco),
y uno muy importante que varía: su energía. La luz violeta tiene la mayor energía de cualquier fotón visible para los ojos humanos, mientras que el rojo tiene la menor energía de cualquier fotón visible. A energías aún más bajas se encuentran fotones infrarrojos, de microondas y de radio, mientras que los fotones ultravioleta, de rayos X y de rayos gamma se pueden encontrar a energías más altas.
que corresponden a varias partes del espectro electromagnético. Carga inductiva de usuarios de la NASA y Wikimedia Commons
A través del vacío del espacio, sin importar cuál sea su energía, siempre viajan a la velocidad de la luz. Tampoco importa cuán rápido persigas o corras hacia la luz; esa velocidad a la que la veas viajando siempre será la misma. Lo que cambia, en lugar de su velocidad, será la energía de la luz. Muévete hacia la luz y aparece más azul, impulsándola a energías más altas. Aléjate de él y aparecerá más rojo, desplazado a energías más bajas. Pero nada de eso, no importa cómo se mueven, cómo hacer que la luz se mueva, o cómo cambia la energía, hará que la velocidad de la luz a cambio. El fotón de mayor energía y el fotón de menor energía jamás observados viajan exactamente a la misma velocidad.
luz, incluyendo el fotón, el gluón y las ondas gravitacionales, que llevan las interacciones electromagnéticas, nucleares fuertes y gravitacionales, respectivamente. NASA/Universidad Estatal de Sonoma / Aurore Simonnet
Pero si está dispuesto a salir de un vacío y entrar en un material, es posible ralentizar la luz. Cualquier material que sea transparente a la luz hará que esos fotones viajen a través de él, incluido el agua, el acrílico, los cristales, el vidrio e incluso el aire. Pero debido a que hay partículas cargadas en estos materiales, electrones en particular, interactúan con los fotones de tal manera que los ralentizan. La luz, aunque no está cargada, se comporta como una ola. A medida que un fotón se mueve por el espacio, exhibe campos eléctricos y magnéticos oscilantes, y puede interactuar con partículas cargadas. Estas interacciones lo ralentizan y hacen que se mueva a una velocidad menor que la velocidad de la luz, siempre y cuando estén en un material.
prism demuestra cómo la luz de diferentes energías se mueve a diferentes velocidades a través de un medio, pero no a través de un vacío. Universidad de Iowa
Diferentes fotones tienen diferentes energías, lo que también significa que sus campos eléctricos y magnéticos oscilan a diferentes velocidades. Si bien la velocidad de todos los tipos diferentes de luz es la misma en el vacío, esas velocidades pueden ser diferentes en cualquier tipo de medio. Brille luz blanca (compuesta de todos los colores) a través de una gota de agua o un prisma, y los fotones más energéticos se ralentizarán incluso más que los menos energéticos, haciendo que los colores se separen.
los arcoíris se deben a la luz solar que interactúa con las gotas de agua, mientras que los arcoíris restantes surgen de reflejos adicionales en el agua de abajo. Los colores se separan debido a las diferentes velocidades de luz de fotones de diferentes energías a través de un medio, en este caso, el agua. Terje O. Nordvik a través de la Imagen Astronómica del Día de la NASA
Así es como la luz brillante a través de gotas de agua crea un arco iris, porque los fotones de diferentes energías interactúan con las partículas cargadas en un medio (y se ralentizan) en diferentes cantidades.
como resultado, la luz se separa en una variedad de ángulos, con luz roja que se mueve más rápido y luz violeta que se mueve más lentamente a través del agua. Centro de Aprendizaje de Ciencias / dominio público
Lo que es importante recordar, sin embargo, en todo esto, es que nada está cambiando sobre la luz en sí. No está perdiendo energía; no está cambiando sus propiedades intrínsecas fundamentales; no se está transformando en otra cosa. Todo lo que está cambiando es el espacio a su alrededor. Cuando esa luz sale del medio y vuelve al vacío, vuelve a moverse a la velocidad de la luz en el vacío: 299,792,458 metros por segundo. De hecho, la definición que tenemos de distancia y tiempo — lo que define un «metro» o un «segundo» – proviene de la luz misma. Los átomos pueden absorber o emitir luz, dependiendo de cómo transiten los electrones dentro de un átomo.
Delta_f1, es la transición que define el medidor, el segundo y la velocidad de la luz. A. Fischer et al., The Journal of the Acoustical Society of America (2013)
El cesio, el elemento número 55 de la tabla periódica, tiene 55 electrones en un átomo único, estable y neutro. Los primeros 54 electrones normalmente viven en el estado de energía más bajo, pero el 55 tiene dos niveles de energía posibles que puede ocupar que están extremadamente cerca entre sí. Si transita de la ligeramente superior a la ligeramente inferior, esa energía entra en un fotón de una energía muy particular y bien definida. Si tomas 9.192.631.770 ciclos de ese fotón, así es como definimos un segundo. Si toma la distancia que viaja en 30.663319 ciclos (que es 9,192,631,770 dividido por 299,792,458), obtendrá la definición de un metro.
Esto nos enseña algo increíblemente profunda: mientras los átomos sean los mismos en todas partes del Universo, entonces nuestras definiciones de tiempo, longitud y velocidad de la luz nunca cambiarán, sin importar dónde o cuándo miremos en el Universo.
Universo, la física que gobierna los átomos, y por lo tanto nuestras definiciones de longitud, tiempo y velocidad de la luz, son exactamente las mismas. NASA, ESA/Hubble, HST Frontier Fields
Entonces, ¿qué aprendemos, juntando todo esto?
- La luz, sin importar cuán alta o baja sea su energía, siempre se mueve a la velocidad de la luz, siempre y cuando viaje a través del vacío del espacio vacío.
- Nada de lo que hagas a tu propio movimiento o al movimiento de la luz cambiará esa velocidad.
- Al pasar esa luz a un medio sin vacío, puede cambiar su velocidad siempre que esté en ese medio.
- La luz de energía diferente cambiará su velocidad en cantidades ligeramente diferentes, dependiendo de las propiedades de ese medio.
- Una vez que dejas ese medio y vuelves al vacío de nuevo, esa luz vuelve a moverse a la velocidad de la luz.
- Y hasta donde sabemos y medimos, la velocidad de la luz tiene el mismo valor de 299,792,458 m / s en todo momento y en todas las ubicaciones del Universo.
En muchos sentidos, la luz es la partícula más simple del Universo. A pesar de que siempre se mueve a la velocidad de la luz, no siempre se mueve a través de un espacio completamente vacío. Mientras haya materia en el Universo que sea transparente a la luz, no podrás evitar ralentizarla. Pero tan pronto como la luz regresa al espacio vacío de nuevo, vuelve a la velocidad de la luz en el vacío, ¡con cada fotón moviéndose como si nunca se hubiera movido a ninguna otra velocidad!
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