Todo que debes entender de la luz

Siempre ha sido un misterio y todavía mucha gente que no la entiende a la perfección.

¿Sabes qué es la luz? ¿Son ondas o partículas? ¿Por qué nuestros teléfonos usan microondas si éstas también calientan la comida? ¿Por qué las cosas negras se calientan más en el sol que las cosas blancas? Intentaré responder a estas preguntas. Primero repasaremos la historia de la investigación la luz.

La historia de la luz

En el año 1666, el famoso Sir Isaac Newton observó que la luz blanca está compuesta de diferentes colores (aunque no fue el primero en hacerlo). Utilizó un prisma para separarla y vio como diferentes colores salían dirigidos hacia diferentes direcciones. Su conclusión fue que el color de la luz es una propiedad intrínseca - es decir, que no se puede separar el color de la luz.

La famosa portada de un disco de Pink Floyd

Newton creía que la luz es un flujo de partículas, pero otros científicos, entre ellos, el más reconocido, Christian Huygens, pensaba que la luz es en realidad, una onda. Esta idea tuvo mayor aceptación, de acuerdo a las observaciones del tiempo.

Las ondas, tales como las ondas del mar, necesitan un medio para transportarse. Un ejemplo de un medio sería el mar y las ondas son las que se encuentran en la superficie. Otro ejemplo es un laso, y si lo agitas hacia arriba y abajo rápido produce ondas. Como experimento, puedes llenar una cubeta de agua y tocarla. Verás que las ondas se mueven a una velocidad constante, se reflejan a los lados de la cubeta y cuando se juntan, cambian - muy parecido a la observación de Newton donde los colores se tornan blancos cuando se juntan a través del prisma.

Además del reflejo, refracción y conjunto de colores de luz, también Huygens explicó la doble refracción con su teoría. Esta se da cuando la luz que atraviesa un objeto sale con dos ángulos distintos. La razón de que esto ocurra es porque las ondas pueden girarse y los materiales, por sus estructuras microscópicas, hacen que el paso de la luz cambie dependiente de su alineación. Normalmente significa que podemos ver doble de algo a través de ciertas cristales.

Doble refracción en un cristal de calcita.

 El problema de las ondas es que no hay un medio para transportarlas en el espacio y la luz cambiaría con nuestra velocidad. Es decir: ¿Si una persona corre hacía un foco, le llegará más rápido la luz? El color está definido por la longitud de la luz, entonces se cambiaría de color. Puedes intentarlo y verás que esto no sucede. (Sí cambia de color, pero con velocidades extremas y un tipo de geometría que se llama 'relatividad especial').

Cien años después, se propuso un experimento para medir la velocidad en que atravesamos el medio desconocido de la luz, porque sí el mundo gira entonces la luz debe de llegar más rápido por un lado que el otro. Se concluyó que la luz no tiene un medio. ¿Entonces, cómo se comportan como las olas si no hay un 'mar'?

Las ondas en el agua pasan por dos espacios en un pared y forman este patrón.

La luz, como el agua, forma un patrón cuando pasa por dos hoyos.

Esto quiere decir que la luz posee características de una onda, pero no tiene un medio. La luz viaja siempre a la misma velocidad, es decir, que recorre 300,000,000 de metros por segundo. Por tanto, le lleva 7 segundos viajar alrededor de la tierra y 8 minutos para viajar desde el sol hasta la tierra. Es muy rápido, tanto que nada puede viajar más rápido que la luz.

Un punto importante relacionado con la Relatividad Especial es que: Si alguién viaja en un nave espacial a 300,000,000 de metros por segundo, la luz sigue corriendo a 300,000,000 de metros por segundo hacía cualquier dirección relativo al nave!  Es decir que es imposible alcanzar a la luz.

El físico James Clerk Maxwell, en 1862, escribió unas ecuaciones relacionadas con los campos eléctricos y magnéticos. Jugando con las matemáticas, descubrió que una onda hecha de estos campos tendría una velocidad igual que la de la luz. Por este medio se dio cuenta que la luz se trata de un conjunto de campos magnéticos y eléctricos. Los campos no se pueden separar porque uno depende del otro para existir.  

Una onda electromagnética (ya sabemos que es la luz).

Esta teoría ha sido confirmada por medio de experimentos y la tecnología de hoy en día.  Las oscilaciones de carga o corriente eléctrica generan ondas eléctricas, y en seguida la radiación electromagnética de muchos medios de comunicación: radio, teléfono, etc.

El Color

¿Qué le da color a la luz? La respuesta es la energía. En 1905, el genio Albert Einstein nos enseñó que la luz contiene energía discreta, es decir, que cada rayo está compuesto de un conjunto de energía. Esta energía funciona como una partícula de luz – pero ¿no habíamos concluido que la luz actúa como una onda? – en realidad, la luz se comporta como las dos; ondas y partículas.

El espectro de las energías de luz, la radiación electromagnética.

Estas partículas de luz se llaman fotones. Un fotón tiene una cantidad exacta de energía. Por lo tanto, podemos considerar a la luz como una onda, y las ondas tienen longitud (la distancia entre sus picos). Ahora, la luz viaja a una velocidad constante y los picos están pasando un punto fijo con una frecuencia. Esa es la energía que le da color a la luz.

Entonces: Más energía = más frecuencia y menos longitud.

Las ondas de radio tienen menos energía que todas las demás. Después viene las microondas que se utilizan para teléfonos, WiFi y el horno de microondas. Las ondas del infrarrojo (literalmente 'más allá que el rojo) transportan el calor. La luz visible ocupa un espacio pequeño en el espectro completo, desde rojo a las 700nm de longitud (0.00007cm) hasta azul a las 500nm (0.00005cm) y violeta (0.00004cm). Los rayos de UV (ultra-violeta) con los cuales nos quema el sol, son más energéticos todavía. Después siguen los rayos-x y rayos gamma.

Todos estos nombres son para la misma cosa, la luz, pero con diferentes 'colores'. Solo vemos colores en la luz porque nuestros ojos tienen detectores hechos de diferentes sustancias que absorben luz entre 700nm y 400nm de longitud. ¡Muchos animales solo ven en blanco y negro! Además, las serpientes ven en infrarrojo - colores que los humanos no podemos ver.

¿Por qué las microondas del teléfono no me cocinan?

La teoría de Einstein que se mencionó en la sección anterior se llama "efecto fotoeléctrico", y explica que la luz puede quitar los electrones de una sustancia si tiene la energía correcta - que depende de la misma sustancia - y dar carga eléctrica a los átomos. La zona del espectro que se llama 'microondas' esta contiene muchas energías distintas, especificas. Primero debemos entender qué es calor.

El calor proviene de la energía que tienen las partículas. Se manifiesta como el movimiento lineal y movimiento rotativo de las partículas en una sustancia. La estructura del agua contiene un átomo de oxígeno y dos átomos de hidrógeno, pero no son completamente fijos. Se pueden estirar, girar y flexionar. Son capaces de absorber radiación (luz) de energías específicas y alterarse. A este movimiento lo llamamos calor.

La energía que utilizan los hornos de microondas es una energía especifica en el rango de las microondas que hace las moléculas del agua girar. La energía que utiliza la señal del teléfono está dentro del rango de las microondas, pero es una energía más baja que el agua no puede absorber.

Una molécula de agua, constituido por átomos de hidrógeno y oxígeno.  

Dicho esto, la luz de colores que veamos es de una energía más alta que las microondas. Tampoco le importa el agua y podemos corroborarlo viendo a través de un vaso de agua sin problema. No es que mayor energía cause más calor, pero las energías ("colores") especificas, afectan a cosas diferentes. Así es que los rayos con más energía, los rayos gamma, pasan a través de casi todo sin perturbar.

¿Por qué las cosas negras calientan más por el sol?

Las cosas se ven de colores cuando reflejan colores específicos. El sillón rojo refleja un color rojo. Una pared blanca refleja todos los colores visibles y una silla negra absorbe todos los colores visibles.

Una manzana roja refleja la luz roja.

Uno de los fundamentos más importantes de la ciencia es que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. ¿Entonces, qué pasa con la energía que absorbe la silla negra?

Los materiales son capaces de absorber un tipo de luz y convertirlo en otro tipo de luz con energía más baja. Es decir que la luz que absorbe algo negro se convierte en luz infrarroja. En la mayoría de los casos, el infrarrojo es un tipo de calor.

Así es como las cosas negras acumulan más calor que las cosas blancas mientras están expuestas al sol, pero realmente dispersan más energía que las cosas blancas. Por eso, un sillón negro se siente frío en la sombra y el color más eficiente de los radiadores es negro.

Todavía no entiendo.  ¿Qué es la luz exactamente?

La luz es única. No tiene peso. Se comporta como onda sin embargo no tiene medio. Tiene características discretas como una partícula. Viaja más rápido que todo. Más energía no significa más destrucción; sólo la energía correcta.  Es un campo eléctrico junto con un campo magnético, que no se pueden separar porque uno genera al otro y viceversa. Pero ningún se puede parar porque tienen que conservar la energía que no se puede destruir por su naturaleza. Hay que aceptar que así son las propiedades de la luz y que no es algo que puede agarrar con la mano y observar, pieza por pieza.

Hay mucho más que contar sobre la luz pero empezamos aquí.  Gracias a Gemma Basurto por editar.