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Parando la luz 4 febrero 2011

Posted by José Ignacio Merino in Óptica, Relatividad.
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Como el post anterior era sobre la velocidad de la luz, hoy voy a hablar de otro tema que de vez en cuando sale como noticia en los periódicos: vamos a ver cómo se puede parar la luz. Bueno, en realidad vamos a ver cómo la luz puede alcanzar velocidades superiores a la de la luz y cómo hacer que sea muy lenta, incluso pararla o hacer que vaya marcha atrás.

Pero antes que nada dejar clara una cosa importante y es que un fotón no puede pararse o acelerarse y siempre se moverá a la misma velocidad: 300.000 km/s. Entonces ¿cómo es que ante dije que puede detenerse o superar esa velocidad? En realidad no puede, pero sí que yo puedo detectar que lo hace.

Te pondré un ejemplo muy sencillo para empezar a aclarar todo este embrollo: Imagina que tengo un puntero láser con el que apunto a la Luna. Jugando con él me pongo a “hacer figuras” en la Luna con ese puntero. Puedo moverlo tan rápido como quiera. De hecho si midiese a qué velocidad se desplaza el punto sobre la Luna seguramente mediría que supera la velocidad de la luz. Es más, imagina un selenita que tenga 2 detectores de luz. Yo muevo desde la Tierra el puntero de un detector a otro. ¡Ese habitante de la Luna habría detectado una señal de luz que ha viajado de un detector a otro a una velocidad superior a la de la luz!

Supongo que sabrás que nada puede superar la velocidad de la luz. Pero con lo que te estoy diciendo te surge la duda ¿se puede o no? Verás no. Si yo miro lo que pasa, ningún fotón que parte de mi puntero láser es capaz de superar la velocidad de la luz. Pero la señal que envío sí que lo hace. Ahora bien, esa señal es incapaz de transmitir información. Así pues la teoría de la relatividad es cierta porque no puedo transmitir información capaz de superar la velocidad de la luz.

¿Te has perdido con eso de la información? Te lo explico. Verás, imagina que en vez de un puntero láser tengo una manguera con agua con la que estoy haciendo el ganso dando vueltas y vueltas. El chorro de agua que lanzo es equivalente al chorro de luz que emito con mi puntero. Imagina ahora que de repente aparece mi mujer por la puerta del jardín, pero yo no la veo porque estoy de espaldas pero yo sigo dando la vuelta… Hasta que estoy frente a ella y la veo. En ese momento corto el agua para no mojarla, pero ya es tarde, por mucho que haya cortado el agua, el chorro seguirá su camino hasta mojarla. No puedo hacer nada por evitarlo por mucho que haya cortado el agua.

Igual pasa con el puntero. Por mucho que yo corte la señal para que no llegue al segundo puntero, la luz habrá salido e irremediablemente llegará a él. No puedo hacer nada por impedirlo. Si yo quisiera mandar información, tengo que controlar qué estoy haciendo. Tendría que ir cortando y encendiendo de una forma coherente y a receptor al recibir esos cortes y encendidos interpretaría esa información. Pero en este caso por mucho que yo corte la señal, al receptor le seguirá llegando luz, con lo cual no puedo transmitir información de esta forma.

Bien, una vez que has comprendido el truco para emitir señales con “velocidad superior a la de la luz”, veamos en qué consiste eso de “parar la luz”.

Como creo que ya sabrás, la luz cuando pasa por un medio, por ejemplo agua o aire, disminuye su velocidad. ¡Espera! ¿Pero no habíamos quedado en que la luz no varía su velocidad y siempre se mueve a 300.000 km/s? Efectivamente. Cuando la luz pasa por el agua o el aire, hay que tener en cuenta que hay átomos y moléculas que estorban a los fotones en su camino. Cuando un fotón topa contra un átomo o molécula, éste lo absorbe y unos cuantos nanosegundos después lo vuelve a emitir (normalmente en la misma dirección en la que le llegó). Es decir, los átomos/moléculas de un material están constantemente absorbiendo/reemitiendo los fotones de tal forma que ralentizan el paso de éstos por el medio, pero los fotones siempre se mueven a la misma velocidad: 300.000 km/s.

Cuando oyes: “la velocidad de la luz en el agua es de 229.900 km/s” ya sabes que no es que los fotones se vuelvan más perezosos en el agua, sino que están siendo absorbidos/reemitidos por las moléculas de agua.

Si yo lanzase un láser contra un vaso de agua y a la salida pusiese un detector ultra-sensible, detectaría una señal ultra-débil que me llegaría a la velocidad de la luz. Esa señal serían los fotones de ese láser que han pasado limpiamente entre las moléculas de agua sin chocar con ninguna. Justo después recibiría a el resto de fotones, los cuales parecería que han estado viajando más lentos (a 229.900 km/s).

Bien, ya tenemos un hecho: la luz en un medio se mueve más lentamente. Ahora preguntémonos otra cosa: ¿cuánto tiempo retienen los átomos a un fotón antes de reemitirlo y que siga su camino? La respuesta es: depende de la frecuencia. Es decir, unos colores avanzarán más rápidamente que otros por un medio.

Ahora mira la siguiente simulación de esta página http://gregegan.customer.netspace.net.au/APPLETS/20/20.html. Para verla necesitarás tener Java instalado.

En esta simulación tenemos un haz de luz que se mueve por un medio. En la parte de arriba tenemos los colores que representan las frecuencias en las que se descompone ese haz. Como podrás ver cada color se mueve con una velocidad distinta. Ya te dije que la velocidad de la luz aparente en el medio depende de la frecuencia.

Las líneas verticales blancas que se mueven representan la velocidad de la luz en el vacío y la señal blanca de la parte inferior representa la suma de todas las señales de la parte superior, es decir, la señal que realmente estamos detectando.

Si te paras unos segundos, verás que al poco tiempo una “superseñal” blanca pasa a toda velocidad adelantando las líneas verticales: acabas de ver cómo una señal supera la velocidad de la luz.

¿Es esto real? Por supuesto. Y perfectamente medible. De hecho muchos científicos miden este tipo de señales supralumínicas que superan la velocidad de la luz. Aquí tenéis un ejemplo donde científicos dicen que han logrado superar 310 veces la velocidad de la luz en un experimento. Como podréis haber deducido en realidad lo que han detectado es un pulso del estilo del que habéis visto en la simulación.

¿Este pulso transmite información? Pues no. De hecho en la simulación que has visto, cuando esté pasando esa “superseñal” haz click con la tecla de mayúsculas pulsada en mitad de la ventana de la simulación. Verás que lo que harás será cortar todas las señales. Sin embargo la “superseñal” sigue su camino sin despeinarse. Es igual que en el ejemplo de la Luna y el puntero láser en el que no soy capaz de transmitir información porque aunque corte la señal no soy capaz de detener la “superseñal” debido a se compone de pequeñas señales que están siguiendo su camino.

Y de hecho puedo seguir exprimiendo este fenómeno. De hecho eligiendo astutamente el medio, podría hacer todo lo contrario: reducir la velocidad del pulso de luz hasta incluso pararla… o hacerla volver hacia atrás.

Espero que hayas logrado entender este fenómeno y comprendas que detrás de las noticias científicas en medios de información general siempre hay “algo” de sensacionalismo (si has pulsado los enlaces, habrás podido incluso soltar una pequeña carcajada al leer los titulares, pero con el que más me he reído es con este)

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La velocidad de la luz 27 enero 2011

Posted by José Ignacio Merino in Óptica, Relatividad.
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Hoy hablaré de un hecho que a todo el mundo le resulta sorprendente y chocante cuando lo escucha: la velocidad de la luz.

Quizás estén pensando: “Pues vaya chorrada, todo el mundo sabe que la velocidad de la luz son 300.000 km/s”. Y efectivamente tendrás razón. La luz recorre 300.000 kilómetros en tan sólo 1 segundo. Este hecho es realmente sorprendente, pero no es lo verdaderamente sorprendente de la velocidad de la luz. Tendrás que seguir leyendo.

Antes de nada un poco de historia. Desde hace muchísimos años se sabe que la propagación del sonido tiene su tiempo. El rayo aparece y algunos segundos después se escucha el trueno, cuando un cañón dispara en la lejanía puedes ver el fogonazo del mismo pero el sonido no llega hasta algunos segundos después.

Así pues se conocía perfectamente a qué velocidad se propagaba el sonido, pero ¿y la luz? ¿a qué velocidad se propagaba? ¿era instantánea o no? Esta fue una pregunta importante durante mucho tiempo y sólo se pudo averiguar mirando hacia Júpiter.

Como creo que sabrás, Júpiter tiene una luna llamada Io. Desde la Tierra, con un telescopio, podemos observar claramente cómo esa luna gira alrededor de Júpiter. Y también podemos observar cómo en su periodo orbital aparece como un punto negro delante de Júpiter para luego desaparecer por el lado contrario.

Transición de Io por Júpiter

Transición de Io por Júpiter - (Credito: Cassini Imaging Team, Cassini Project, NASA)

Pero algo fallaba. Se sabía perfectamente a qué velocidad se movía Io y también cuál era el radio de Júpiter, así que  cuando aparecía el punto de la luna en el planeta se conocía con exactitud cuánto tiempo tardaría en desaparecer de nuevo por el otro lado. Sin embargo la observación daba resultados distintos. Dependiendo en qué época del año observásemos podíamos ver que había un retraso o un adelanto que podía llegar hasta los 16 minutos con respecto a lo que en realidad debería tardar.

Fue el danés Ole Roemer en 1676 quien se dio cuenta que este fenómeno era debido a que la luz tendría una velocidad finita. Cuando Io aparecía en la superficie de Júpiter la Tierra seguía su movimiento que podía ser alejándose o acercándose a Júpiter (dependiendo en qué parte de la órbita estuviésemos). Eso hacía que cuando esa luna desaparecía, la Tierra estaba más lejos o más cerca y por tanto nunca tardaba lo mismo en hacerlo pues había que tener en cuenta que la luz que nos llegaba de Júpiter tardaba más o menos en llegar desde que comenzaba el fenómeno.

Así pues haciendo unos cálculos no muy complicados Roemer determinó por primera vez la velocidad de la luz: 300.000 kilómetros por segundo.

Pero como te dije esto no es lo realmente sorprendente, sino que esa velocidad es constante siempre. “¡Pues vaya noticia!” podrás pensar. Pero piensa por un momento lo que eso implica.

Imagina que estás sentado en una estación de trenes y ves pasar un tren digamos que a 50 km/h. Por la ventanilla tu ves a un niño andar por el pasillo en la dirección en la que avanza el tren pero ¿a qué velocidad lo ves moverse? Para la madre del niño, que estará sentada en un asiento del tren éste se moverá a 2 km/h. Pero para ti, que estás fuera, verás al niño moverse con una velocidad de 52 km/h pues a la velocidad del niño tenemos que sumarle la velocidad con la que va el tren. Este se conoce como principio de relatividad de Galileo.

Si yo voy montado en ese mismo tren cuando está circulando a 100 km/h y disparo una bala hacia delante, ésta saldrá con la velocidad suya propia (digamos unos 200 km/h) más la velocidad a la que va el tren, es decir se moverá a 300 km/h para un observador que esté sentado fuera viendo la escena. Pero curiosamente si esa persona, en vez de disparar una bala, encendiese una linterna la luz saldría de esta siempre con la misma velocidad: 300.000 km/s.

Esto fue demostrado sin querer por los señores Michelson y Morley en 1887. Y digo sin querer porque en realidad estaban intentando medir otra cosa bien distinta. Verás, en esa época se pensaba que la luz se tenía que transmitir por algún medio. Si la olas eran ondas que se transmitían por el agua, el sonido eran ondas que se transmitían por el aire y se sabía que la luz también era una onda, ¿cuál era el medio por el que éstas se transmitían? Como no se conocía se le denominó “éter”. Ellos pensaban que el éter era una especie de “viento” que llenaba todo el espacio. Como podríamos ver la luz del Sol y de las estrellas, el Universo debería estar lleno de ese éter. Pero a su vez debería de ser muy tenue pues la Tierra y los planetas se movían por ese éter como si tal cosa. Así pues pensó en ver a qué velocidad se mueve la Tierra con respecto a ese éter.

Para ello dividió un rayo de luz en 2 y con espejos se haría que una parte de ese rayo se moviese en la dirección del movimiento de la Tierra y la otra parte del rayo en la dirección perpendicular. El rayo que saliese en la dirección del movimiento de la Tierra sumaría su velocidad a la velocidad de la Tierra y el rayo que se moviese en dirección perpendicular se movería tan sólo a la velocidad de la luz. Así que cuando los 2 rayos volviesen a encontrarse, uno debería ir desfasado con respecto al otro pues se movería más rápido. Con este experimento querían medir cuán de rápido se movería el éter, pero en realidad descubrieron otra cosa mucho más importante: Ambos rayos no se desfasaban, por tanto ambos iban igual de rápido. Repitieron este experimento en distintas épocas del año y nada: no había variación en la velocidad de ambos rayos.

Exactamente igual que lo que te he explicado antes del hombre que montado en un tren encendía una linterna: da igual a la velocidad a la que se mueve el tren, la luz sale siempre igual de rápido.

Llevemos ese ejemplo al extremo y verás lo sorprendente que es. Imagina que eres un policía del sigo XXX que persigue a una banda de ladrones. Ambos os movéis en naves espaciales capaces de ir a velocidades muy cercanas a la de la luz. Los ladrones huyen a una velocidad de un 99.99999% la de la luz (casi están rozándola) y tu los persigues a una velocidad de un 99.99% la de la luz (algo más lento, pero no está nada mal).

Como los bandidos van más rápido y escaparán, decides destruir el motor de su nave lanzando un rayo láser. Así pues disparas y… ¿a qué velocidad ves alejarse ese rayo? Pues sorprendentemente a 300.000 km/s. ¿Y los bandidos a qué velocidad lo verán acercarse? También a 300.000 km/s. Fíjate que ambos estáis rozando la velocidad de la luz y sin embargo veis los rayos alejarse y acercarse igual de rápido, como si estuvieseis quietos. ¿Y un observador externo que pasase por allí? ¿A qué velocidad vería moverse el láser? Pues también a 300.000 km/s independientemente si se está moviendo o si está quieto. Todos coincidís en lo mismo: la luz se mueve con la misma velocidad

Sorprendente ¿verdad? Si te estás preguntando cómo es posible eso te diré que nadie lo sabe: simplemente ocurre así. Y si te estás imaginando que te estoy explicando lo último en física, siento decepcionarte: Si te fijas el experimento de Michelson y Morley es de 1887. Es decir, desde hace más de 120 años se sabe esto.

Pero volvamos a la persecución. Si para ti, los bandidos y ese señor que pasaba por allí la velocidad de la luz que miden es la misma, algo tendrá que ser distinto para los 3 observadores ¿verdad?. La respuesta a esta pregunta es: el tiempo. Para que la luz sea igual de rápida para los 3 independientemente si os movéis o no y a qué velocidad lo hacéis, tendrá que cambiar el concepto de tiempo en cada caso. Cada uno verá transcurrir el tiempo de distinta forma y cada uno verá el fenómeno de forma distinta. Justamente esta es la base de la teoría de la Relatividad de Einstein, la cual sustituye al principio de Relatividad de Galileo. Pero bueno, la Relatividad es muy extensa como para explicarla aquí. Seguramente la iré explicando más adelante y muy poquito a poco. Por ahora basta que te quedes con esa idea: para poder encajar el hecho experimental que la luz se mueve con la misma velocidad para todo observador, independientemente de la velocidad a la que este se mueva, debemos de variar el concepto de tiempo para que esto sea así. Es decir, tu moviéndote a 100 km/h tienes un transcurrir de tiempo distinto que otra persona moviéndose al 50% de la velocidad de la luz y esta tendrá otro transcurrir de tiempo distinto a una persona que se mueva a un 99.99% de la velocidad de la luz. Si admitimos eso, podemos hacer que la velocidad de la luz para todos los observadores es la misma: 300.000 km/s.

Por cierto, la Relatividad de Einstein se teorizó en 1905, con lo cual este conocimiento que quizás estés descubriendo tú ahora lleva más de 100 años descubierto.