La esencia de la luz

La esencia de la luz

© ESO/ Digitized Sky Survey 2, David De Martin
Luz en el cosmos- aquí el luminoso brillo de Alfa Centauri 

Un fenómeno cósmico con muchos misterios

Sin luz no hay vida – la luz no sólo posibilita nuestra existencia, también forma todo nuestro universo y también nuestro día cotidiano. Al mismo tiempo.la luz es hasta ahora, uno de los fenómenos más enigmáticos de la física – y aún es causa de numerosas sorpresas.

El año 2015 fue proclamado cómo el año de la luz por las UN. Con esto, por un lado se quiere señalar la significancia de la luz como fenómeno, al mismo tiempo tambien se trata de la multiplicidad de las aplicaciones técnicas, que le debemos a la luz. El espectro alcanza desde la fotografía sobre el laser, instalaciones solares por último, pero no menos importante la transmisión de datos por conductores ópticos.

En este dossier, presentamos a luz como un fenómeno físico – con todos sus misterios, sorpresas y preguntas abiertas.

Al principio fue la luz. 

Cómo vino al mundo la radiación

Poco después del Big-bang dominaba la radiación en el aun joven universo, algo después se formó la materia
© NASA

Aún antes de que se formaran los primeros elementos, ya existía la luz: La radiación electromagnética acuñaba al universo ya en las primeras fracciones de segundo después del Big-bang.la enorme energía del cosmos existía a la sazón, hace casi 14 mil millones de años, en forma de una radiación de formidable energía. Cuando se formaron los primeros elementos, el universo, por esta razón, aún era opaco pero luminoso.
 

El fósil del Big-bang

Esto cambió recién 380 000 después del Big-bang: La mezcla caliente de plasma ya se había enfriado tanto, que se formaron los primeros átomos. Debido a esto la radiación electromagnética pudo moverse libremente por el espacio. El universo se hizo transparente y se llenó de luz. Y esta primera luz – aproximadamente de ello aún hoy existen 400 fotones en cada centímetro cúbico del espacio – llena hasta hoy la radiación de fondo cósmica del universo.

La radiación cósmica de fondo llena el universo cómo un tapete de estampado difuso.
© NASA/ESA/ Planck

 

Esta radiación ce fondo es un fósil de la primera luz de nuestro cosmos – y nos recuerda hasta hoy,  cuan fundamentales es la radiación para todo que nos rodea. Sin embargo: El vestigio luminoso del Big-bang, ya hace tiempo ya no tiene esa corta longitud de ondas que en sus tiempos. Debido a la continua expansión del espacio, la radiación de fondo se ha enfriado cada vez más. En el entretanto su temperatura de radiación es de apenas menos 270 °C y su largo de onda en el campo milimétrico.

Aún enigmático

Desde su descubrimiento hace unos 50 años, la radiación de fondo cósmica ha entregado valiosos indicios sobre el desarrollo del universo – pero también ha planteado casi la misma cantidad de preguntas. Así, por ejemplo, en marzo de 2014 parecía que los astrónomos finalmente habían encontrado las huellas de la inflación cósmica – la expansión exponencial del universo – en este resto de luz. Sin embargo, esto poco después, resulto cómo algo apresurado. 

La luz en el cosmos lo proporcionan hoy innumerables estrellas, galaxia y nubes de gas incandescentes.
© NASA, ESA, CXC, la univbersidad de Potsdam, NASA/JPL-Caltech, NASA/STScI

Sin embargo la radiación de fondo no es la única luz en el cosmos – todo lo contrario: Los gases de colores brillantes de los grandes semilleros de las estrellas, las estrellas y galaxias o las intensivas explosiones de las supernovas y otras explosiones cósmicas – sin luz el universo estaría oscuro y vacío. Tampoco existiría nuestro Sol, al cual, nosotros los seres humanos, le debemos nuestra existencia.

Por esto la luz es mucho más que un accesorio luminoso – es la base de toso el cosmos. De esto también se dio cuenta hace cien años uno de los más grande físicos…

La medida de todas las cosas

Albert Einstein, la velocidad de la luz y la luz cronometrada

Noes una casualidad, que fue elegido el año 2015 como el año de la luz: Hace exactamente cien años, en 1915, Albert Einstein publicó su teoría de la relatividad general, diez años antes su teoría de la relatividad especial- y con esto puso de cabeza toda la visión del mundo de la física. Puesto que con estas teorías, la luz recibió una significancia totalmente nueva: Llegó a ser la medida de todas las cosas.

2015 la teoría general de la relatividad de Einstein cumple 100 años:
© Histórico (Ferdinand Schmutzer)

El tiempo es relativo, la velocidad de la luz no.

Antes de Einstein la luz era sólo un fenómeno entre muchos en el cosmos. Ya Aristóteles ya se había dado cuenta, que la luz se dispersa en línea recta, pero juntamente con esto se podía irradiar en todas las direcciones. Su velocidad se consideraba variable. Absoluto era sólo el tiempo. De acuerdo a la creencia desea época, teóricamente era posible perseguir a un rayo de luz  y alcanzarlo.

Einstein a esto le puso fin. Él postuló, que no era el tiempo, sino la velocidad de de la luz que era absoluta. Ella es una constante de la naturaleza y con esto una parte fundamental del cosmos. En el universo no hay nada que se puede mover más rápido que la luz. Y al mismo tiempo la liz se expande siempre a la misma velocidad, independientemente si al medirla me muevo o no; mientras que esto, para el tiempo no vale: Este pareciera ser más lento, para un observador, mientras más rápido  avanza por el espacio.

Luz frenada

Si la velocidad de luz es una constante natural, entonces debería ser siempre invariable. La luz no debería frenarse o detenerse.  Sin embargo, en los últimos años los físicos lograron engañar a esta constante,. Mediante cristales especiales y experimento sofisticados. Por algunos segundos e incluso hasta un minutos, los investigadores lograron “congelar” rayos de luz. 

Vista del experimento para la detención y el almacenamiento de la luz
 © Katrin Binner / TU Darmstadt

Como “bloque de freno” a los físicos les sirvió un cristal del elemento Praseodimio, enfriado a unos pocos grados sobre el cero absoluto. Este es bombardeado con un rayo laser fraccionado. Cuyas dos fracciones, colisionan verticalmente entre sí. La primera fracción del rayo sirve como freno, estimula los iones de la red cristalina y con esto cambia las propiedades cristalinas. La segunda fracción del rayo se encuentra con este nuevo medio y la luz del laser es fuertemente frenada.-

“La luz que penetra en este cristal, es frenada a tal manera, que se detiene y permanece en él hasta que nosotros la liberamos”, explica Morgan Hedges de la Australian National University. “Si la dejamos ir, sale todo tal cómo entró, hasta el último fotón”, Estos experimentos son mucho más que unos juegos de la física. Puesto que con trampas de luz, cómo estas, en el futuro se podrán informaciones ópticas en forma directa, sin tener que transformarlos en datos electrónicos o magnéticos cómo hasta ahora. 

Curvada y desviada

La interacción de la luz y la gravitación.

Pero también bajo condiciones naturales la luz puede ser influenciada por su entorno: De hecho, la luz interactúa con la materia – y esto lo podemos observar constantemente en la vida cotidiana. Así por ejemplo, en el límite  entre dos materias distintas es refractada (quebrada) o reflejada. A estos fenómenos le debemos el arcoíris y las coronas coloreadas que a veces se forman en el invierno alrededor de la Luna. El cielo azul además demuestra quela luz puede ser dispersada.    

 La curvatura del espacio-tiempo  por la gravitación, también desvía a la luz.
© MMCD

La atracción gravitatoria y la luz curvada

Aun más fundamental es la atracción gravitatoria sobre la luz, que ya expuso Albert Einstein en 1915 en su teoría general del relatividad. De acuerdo a esto el espacio-tiempo forma una especie de matriz para todo el cosmos. La gravitación curva este espacio-tiempo – más donde objetos masivos, donde objetos más livianos menos. A esta gradiente a esta contextura del universo también la tiene que seguir la luz – es dirigida hacia un objeto masivo.-

La evidencia para este efecto lo dio el 29 de mayo de 1919 un eclipse solar. Investigadores viajaron para este objeto a África occidental, puesto que el oscurecimiento del Sol por fin iba a mostrar, si Einstein tenía  razón. Si la teoría de Einstein era correcta, entonces la gravitación del Sol debía desviar un poco la luz de las estrellas que se encuentran detrás del Sol. Esta desviación debería mostrarse en que la posición aparente de la estrella en el cielo esta levemente corrida frente a su posición normal, cuando su luz pasa justo por el borde del Sol.

 Fotografía original del eclipse solar de 1919 de Arthur Eddington
© histórico

Y realmente las placas fotográficas expuestas durante el eclipse solar mostraron justamente esta pequeñísima desviación. La confirmación de la teoría de Einstein no sólo fue una sensación para los  físicos viajeros, sino también en el público general lo convirtió en una estrella pop de las ciencias. El New York Times escribió: “Las luces en el cielo, todas chuecas – triunfa la teoría de Einstein”.

Lentes cósmicos

Que esa teoría de Einstein es correcta, se puede observar especialmente bien en las lentes gravitacionales – Ga  celestiales – de manera parecida a los lentes de los instrumentos ópticos -  similar a los lentes en los instrumentos ópticos. Ya Einstein predijo, que  centros gravitacionales cómo estos distorsiona y desvía la luz de los objetos que se encuentran detrás de ellos, y la circunda cómo un anillo alrededor de la galaxia – el anillo de Einstein.

Un anillo casi completo al rededor de la lejana galaxia LRG 3-757
© ESA/Hubble & NASA

Un anillo Einstein completo es en realidad un fenómeno muy raro. Para que esto suceda debería estar la galaxia, el objeto de trasfondo y el observador en exactamente una línea recta. Uno de estos raros anillos lo describieron los astrónomos en octubre de 2013 alrededor de una galaxia enana a una distancia de 9.4 mil millones de años luz. Este lente gravitacional no es sólo el objeto más lejano de este tipo, también es uno los pocos ejemplos para una perfecta alineación.

Conclusión sobre la materia oscura

El efecto lenticular postulado por Einstein hoy ya es una valiosa herramienta de la astronomía. Puesto que la fuerza de lka acción lenticular de una galaxia, delata su masa y la gravitación que posee. Con esto los investigadores también pueden determinar la cantidad de la materia oscura ni visible es parte de la masa total de una galaxia como estas. Hace unos pocos años atrás  se logro por primera vez medir la dispersión de la materia oscura en grandes regiones del cielo.

 Además una lente gravitacional cómo esta actúa como un telescopio natural, porque aumenta y amplifica las fuentes de la k luz que se encuentran el  trasfondo. Con esto se pueden investigar también objetos lejanos, para los cuales una resolución de un telescopio normal no basta.

La naturaleza de la luz

Ondas, partículas y cristales

También sobre la naturaleza de la luz se iba a tientas antes de Einstein: Para Isaac Newton en el siglo17, la luz no era otra cosa que un chorro de pequeñas partículas luminosas, su coetáneo el astrónomo, Christian Huygens, tenía sus dudas al respecto y partía de una idea de un una onda de luz.

 Thomas Young confeccionó este dibujo de la interferencia de luz.
© histórico 

Ondas o partículas 

El punto de vista de Huygens se impuso a más tardar, cuando el físico Thomas Young, demostró aprox. En 1800 un actualmente clásico experimento, que rayos de luz del mismo largo de ondas se amplifican entre sí, según fase o que incluso se pueden anular – una interferencia cómo olas que chocan entre si en una laguna. Desde ese momento se consideró como probado, que la luz ha de ser una onda.

Pero Einstein también terminó con esta concepción. El conocimiento le llegó durante una búsqueda por una explicación para el efecto fotoeléctrico, el hecho, que un rayo de luz muy energético puede expulsar electrones de una superficie metálica. En el año 1905 publicó sus conclusiones al respecto. Él dedujo que la luz no podía ser solo una onda, sino que debía unir una naturaleza onda-partícula. Según esto la luz se compone de fotones y por esto, bajo ciertas condiciones, se comporta como un chorro de partículas. Pero al mismo tiempo se esparce cómo una onda y también oscila como tal – un dualismo de comprender.

Luz laser normal. Los fotones individuales interaccionan no entre sí.
© de dominio público

Moléculas de luz 

Según la usual  teoría  los fotones de la luz no poseen masa y tampoco interactúan entre si. Cada uno se comporta en el rayo de luz cómo si estuviese totalmente sólo. Pero en septiembre de 2013 los físicos lograron rodear esta aparente certeza  y  engañar de cierta manera a la luz: “Hemos creado un medio para que los fotones interaccionen entra si en forma tan potente, que comienzan a comportarse cómo si poseyesen masa. Y se unen para formar una especie de moléculas, explica MikhailLukin de la universidad de Harvard”. 

Los científicos lograron forzar la luz en este atado estado fotónico, en una cámara de vacío, enfriando una nube de átomos de rubidio a unos pocos grados sobre el cero absoluto. A esta nube le dispararon, mediante un laser dos fotones al mismo tiempo, Y lo sorprendente sucedió: A causa de la interacción con los átomos de gas, las dos partículas de luz se comportaron cómo una molécula: Se empujaron y jalaron entre sí – un efecto totalmente atípico para una partícula de luz.

Ondas sincrónicas muestran aquí, que los fotones se comportan coordinadas cómo en un cristal.
© Princeton University

Un cristal de luz

Un año después los físicos avanzarán más aun, en septiembre de 2014: Lograron que la lz se cristalizara: Los fotones se sujetaron entre si y formaron una especie de enrejado. Las partículas de luz forman en esto una especie do comportamiento colectivo, en el cual una vez chapotean de un lado a otro cómo un líquido y otras veces se congelan. “Esto es algo, que hasta aun no hemos visto antes – un comportamiento totalmente nuevo para la luz” dice Andrew Houck de la universidad de Princeton.

También este efecto lo lograron los investigadores, aprovechando la interacción de la luz con la materia. Mediante un tal llamado Jaynes-Cummings Dimers, lograron que una pequeña cantidad de fotones se moviesen de un lado a otro entre dos resonadores. Bajo ciertas condiciones se pudo observar el “congelamiento” de los fotones a una especie de enrejado. Según la opinión de los investigadores, manipulaciones cómo estas le ofrecen a la luz la chance, para desarro9llar, por ejemplo, materiales con propiedades totalmente nuevas. También permiten investigar propiedades fundamentales de la materia, átomos y moléculas.

La fórmula
Lo que una la luz con la materia 

Einstein frente a su famosa fórmula E=mc2.
© Berto Garcia/ CC-by-sa 2.0 gen

Presumiblemente esta fórmula la conocen todos – también aquellos que no se interesan en lo más mínimo por la física: E=mc2. Y ella también tiene que ver algo con la luz como también con Albert Einstein, quién la formuló en 1905. ¿Pero qué significa? Principalmente describe nada menos que la relación entre energía y materia y proporciona las bases teoréticas para la suposición, que la materia se puede transformar en luz y  a la inversa que la radiación también se puede convertir en materia.

Más claro que mil soles

Lo primero se puede percibir en nuestro Sol: En su interior se fusionan los núcleos atómicos del Hidrógeno, entregando grandes cantidades de radiaciones. Esta fusión produce la luz, sin la cual no habría vida en la Tierra. Al mismo tiempo el Sol por esta radiación pierde una pequeñísima cantidad de masa – pero esto es tan poco, que desde nuestra posición no es posible demostrarlo.

Explosión de una bomba atómica en una prueba de armamento nuclear en 1948
© U.S. Air Force

Más notorio es esto con el fenómeno de la radio actividad, más exacto durante una explosión atómica: Durante la fisión de un núcleo de Uranio se libera la enorme cantidad de energía de 200 millones de electronvoltios. Ya una mínima cantidad de material fisionable  basta para borrar ciudades completas. Si con esto realmente se transformó materia en radiación, se mostraría, si a continuación se recogería y pesaría todos los productos de desintegración del núcleo de Uranio: Por cierto las partículas después son algo más livianas que antes – falta aproximadamente una quinta parte de la masa de un protón. Esta parte de la materia se transformó en radiación.

Materia a partir de la luz – la teoría de Breit-Wheeler

¿Pero cómo es la cosa a la inversa? ¿Puede formarse materia a partir de la luz? En un principio sí, cómo ya lo postularon los dos físicos Gregory Breit y John Wheeler en 1943. Ellos documentaron a mano de una ecuación, que la colisión de dos protones sería suficiente pata crear un electrón y un positrón – y con esto partículas de materia. Sin embargo: Para producir una colisión cómo esta, se necesita una densidad extremadamente alta de fotones –y estos son muy difíciles de generar experimentalmente.-

 Materia a partir de la luz – teoréticamente ya  pronosticado hace mucho tiempo
© NASA

Un método. Con el cual a pesar de todo, podría resulta, lo propusieron Olivber Pike y sus colegas del Imperial College London en mayo de 2014.lo sorprendente de esto: Se necesita  sólo tecnología e instalaciones ya existentes. La aplicación sería relativamente fácil.

Sólo se necesita un rayo de electrones extremadamente energético, que, por ejemplo es producido en los sincrotrones,  que es disparado contra una pieza de Oro. La radiación gamma que se originan con esto es dirigida hacia un espacio de vacío – una pequeña oquedad en una segunda pieza de oro, que fue llenada con protones. Allí colisionan los protones del rayo y del campo y en un caso ideal crean pares de electrones y positrones. “Con esto está abierta la carrera para realizar por primera vez este experimento,” dice Pike.

(Nadja Podbregar,16.01.2015)

Fuente: www.scinexx.de

Traducido del alemán por A. Gundelach