La imagen del centro de la galaxia en varios rangos de longitud de onda muestra fuentes de radiación como estrellas, gas, agujeros negros, etc. Pero la luz que emana de todas estas fuentes, desde la radiación gamma hasta los rangos visibles y de radio, siempre se mueve a través del espacio vacío a la misma velocidad: la velocidad de la luz en el vacío.No importa qué tan rápido te muevas, una cosa que nunca puedes atrapar: la luz. La velocidad de la luz no es solo la velocidad máxima con la que cualquier cosa puede moverse en el Universo, sino que también se considera una constante universal. Si prendemos la linterna, miramos la Luna o el Sol, o medimos los parámetros de una galaxia ubicada a miles de millones de años luz de nosotros, la velocidad de la luz es lo único que permanece sin cambios. ¿Pero es este siempre el caso? Esto es exactamente lo que nuestro lector quiere saber:
¿La luz viaja a la misma velocidad todo el tiempo? Si algo lo frena, ¿se mantendrá lento después de que esta influencia desaparezca? ¿Acelerará de nuevo a la velocidad de la luz?
Comencemos con lo que constituye la luz en un nivel fundamental: cuantos.
Oscilando en una fase, los campos eléctricos y magnéticos que se propagan a la velocidad de la luz determinan la radiación electromagnética. La unidad más pequeña de radiación electromagnética, una cuántica, se conoce como fotón.La luz puede ser diferente a las partículas si observa una fuente de luz como una bombilla, una linterna, un puntero láser o el Sol, pero todo esto es porque no podemos ver sus partículas individuales. Si usamos fotodetectores electrónicos en lugar de nuestros ojos, encontraremos que toda la luz del Universo consiste en las mismas partículas, o cuantos fotones. Tiene varias propiedades que son iguales para todos los fotones:
- masa igual a 0;
- velocidad siempre igual a s, velocidad de la luz;
- spin, una medida del momento angular interno, siempre igual a 1;
y una propiedad muy importante que es diferente para diferentes fotones: la energía. De todos los fotones visibles para el ojo humano, la luz violeta tiene la mayor energía, mientras que el rojo tiene la menor. Los fotones de los rangos de infrarrojos, microondas y radio tienen incluso menos energía, y más, de rayos ultravioleta, rayos X y radiación gamma.
Escalas de tamaño, longitud de onda y temperatura / energía, correspondientes a diferentes partes del espectro electromagnético.A través del vacío del espacio, independientemente de la energía, siempre se mueven a la velocidad de la luz. Y no importa qué tan rápido intentes moverte después de la luz, o hacia ella: la velocidad de los fotones que observas siempre será la misma. En lugar de velocidad, su energía cambiará. Muévete hacia la luz, y aparecerá más azul, y su energía será más. Aléjese de él, y aparecerá rojo, y su energía será menor. Pero no importa cómo se mueva, cómo se mueva la luz, cómo cambie la energía, la velocidad de la luz no cambiará. El fotón de la energía más alta o más baja observada siempre se moverá a la misma velocidad.
Todas las partículas sin masa se mueven a la velocidad de la luz, incluidos los fotones, gluones y ondas gravitacionales que transfieren interacciones electromagnéticas, nucleares fuertes y gravitacionales, respectivamente.Pero si desea pasar de una aspiradora a cierto material, la luz puede reducirse. Cualquier material que sea transparente a la luz permitirá que los fotones se muevan dentro de él, ya sea agua, resina acrílica, cristales, vidrio e incluso aire. Pero dado que hay partículas cargadas en estos materiales (electrones), interactuarán con los fotones y, por lo tanto, los ralentizarán. La luz, aunque no tiene carga, se comporta como una onda. Un fotón que se mueve en el espacio provoca oscilaciones de los campos eléctricos y magnéticos, por lo que puede interactuar con partículas cargadas. Estas interacciones lo ralentizan, forzándolo a moverse a una velocidad menor que la velocidad de la luz mientras se mueve en el medio.
El comportamiento de la luz blanca que pasa a través de un prisma demuestra cómo la luz de diferentes energías se mueve a diferentes velocidades en un medio, pero no en el vacío.Diferentes fotones tendrán diferentes energías, lo que significa que sus campos eléctricos y magnéticos oscilarán a diferentes frecuencias. En el vacío, la velocidad de los diferentes tipos de luz es la misma, pero en un medio puede diferir. Ilumínese con una luz blanca, que consta de todos los colores, una gota de agua o un prisma, y los fotones de alta energía se ralentizarán más que los fotones de menor energía, lo que hará que la luz se divida en colores.
Los arcoiris primarios (brillantes) y secundarios (tenues) aparecen debido a la interacción de la luz solar y las gotas de agua, y otros adicionales debido a los reflejos en el agua. Los colores se separan debido a las diferentes velocidades de los fotones de diferentes energías que se mueven en el medio, en este caso, en el agua.Así es como la luz, que pasa a través de gotas de agua, crea un arco iris: los fotones de diferentes energías interactúan con las partículas cargadas del medio y se ralentizan de diferentes maneras.
Múltiples reflejos de luz en una gota de agua conducen a la separación de la luz en diferentes ángulos, cuando la luz roja en el ambiente acuático se mueve más rápido y violeta, más lento.Es importante recordar que en este caso no cambian las propiedades de la luz. No pierde energía, no cambia sus propiedades intrínsecas, no se convierte en nada. Solo cambia el espacio que lo rodea. Cuando esta luz abandona el medio y vuelve al vacío, nuevamente se mueve con la velocidad de la luz en el vacío: 299 792 458 metros por segundo. De hecho, las definiciones mismas de distancias y tiempo (metros y segundos) se calculan a través de la velocidad de la luz. Los átomos pueden absorber o emitir luz, dependiendo de las transiciones de electrones dentro de los átomos.
La transición atómica del orbital 6s, Δf 1 , determina el metro, el segundo y la velocidad de la luz.El cesio, el elemento 55 de la tabla periódica, tiene 55 electrones en un solo átomo neutro estable. Los primeros 54 electrones generalmente existen en el estado con la energía más baja, pero el 55 tiene dos niveles de energía posibles que puede ocupar, ubicados extremadamente cerca uno del otro. Si pasa del uno ligeramente más alto al otro ligeramente más bajo, entonces la energía de transición pasa al fotón con una energía completamente definida. Si toma 9 192 631 770 ciclos de este fotón, obtendrá 1 segundo. Si tomamos la distancia que cubrirá en 30.663319 ciclos (9 192 631 770/299 792 458), obtenemos 1 metro.
De esto se desprende algo sorprendentemente profundo: hasta que los átomos en todo el Universo sean exactamente iguales, nuestra definición de tiempo, distancia y velocidad de la luz no cambiará, independientemente de en qué parte del Universo los usemos.
No importa cuán lejos miremos en el Universo, la física que controla los átomos y determina la longitud, el tiempo y la velocidad de la luz permanecerá sin cambios.Entonces, ¿qué aprendimos como resultado?
- La luz, independientemente de si su energía es alta o baja, siempre se mueve con la velocidad de la luz, mientras se mueve en un vacío de espacio vacío.
- Ningún cambio en su movimiento o el movimiento de la luz cambia esta velocidad.
- Al enviar la luz a un medio que no sea el vacío, puede cambiar su velocidad mientras se mueve en este medio.
- La luz de diferentes energías cambiará de velocidad de manera diferente, dependiendo de las propiedades del medio.
- Al salir del medio y volver al vacío, la luz comienza a moverse nuevamente a la velocidad de la luz.
- Según nuestro conocimiento y las mejores mediciones, la velocidad de la luz permanece en torno a 299 792 458 m / s en todos los lugares y en todo momento del Universo.
En muchos sentidos, la luz es la partícula más simple del universo. Y aunque siempre se mueve a la velocidad de la luz, no siempre se mueve en un espacio absolutamente vacío. Mientras el material transparente se conserve en el Universo, no podrás evitar ralentizar la luz en él. Pero tan pronto como la luz vuelve al espacio vacío, se mueve nuevamente a la velocidad de la luz, ¡y cada fotón se mueve como si nunca se hubiera movido a una velocidad diferente!
Ethan Siegel - astrofísico, divulgador científico, autor de ¡Comienza con un golpe! Escribió los libros "Más allá de la galaxia" [ Más allá de la galaxia ] y "Tracknología: la ciencia de Star Trek" [ Treknology ].Preguntas frecuentes: si el Universo se está expandiendo, ¿por qué no nos estamos expandiendo ? por qué la edad del Universo no coincide con el radio de su parte observada .