A la luz de Einstein

Portada móvil

¿Qué es la luz y de qué está hecha?

Esta pregunta —nada básica— surge porque la experiencia ha ido enseñando a los seres humanos que la vida y la luz están unidas. De hecho, hay reflexiones e intentos loables de entender el fenómeno luminoso desde muy antiguo. Conocer la luz ha implicado a la cinemática, la óptica, el electromagnetismo, la estructura del espacio-tiempo… Es decir, a casi toda la física.

TEXTO POR ROSA MARÍA HERRERA
ILUSTRADO POR MARÍA RODRÍGUEZ
ARTÍCULOS
EINSTEIN | FÍSICA | LUZ
15 de Febrero de 2021

Tiempo medio de lectura (minutos)

Dando un salto en el tiempo (con permiso de las aportaciones de los protagonistas que, aunque imprescindibles, obviaremos en este momento), se vio que lo más usual y fructífero parecía ser el estudio de los fenómenos astronómicos. Así trabajaron el danés Rømer, que intentó demostrar que la luz no se transmite instantáneamente y logró medir su velocidad consiguiendo obtener un valor finito aproximado de 225 000 km/s; y el inglés Bradley, quien buscó la manera de establecer una conexión entre la velocidad de rotación de la Tierra en torno al Sol con el valor de la velocidad de la luz y encontró el fenómeno de la aberración de la luz: diferencia de la posición de una estrella y su posición observada desde la Tierra.

Estos estudios experimentales son importantes porque sirvieron para constatar que era una buena idea relacionar la velocidad de la luz con los asuntos astronómicos mejor conocidos (que implican luz y oscuridad) y que finalmente sirvieron para determinar que su valor con bastante precisión.

En el siglo XIX se realizaron numerosos experimentos que fueron perfeccionando el conocimiento en este campo. Entre los científicos estudiosos, destaca el francés Fizeau, quien mediante una experiencia muy ingeniosa efectuó la primera medición de la velocidad de la luz, clave para el desarrollo de estudios posteriores. Otro francés, Foucault, confirmó el resultado de Fizeau en un experimento en el que implicó a todo su laboratorio: el célebre experimento del péndulo de Foucault, que —de paso— mostró la rotación de la Tierra.

Este conocimiento de la velocidad de la luz fue determinante para medir el tamaño del sistema solar como uno de sus primeros logros.

La inseparable relación de la luz y el espacio

Albert Einstein nos enseñó que la luz y el espacio están perfectamente imbricados. Resumiendo lo que ahora sabemos: la luz se propaga en el vacío a 300 000 km/s en todos los sistemas de referencia. Sin embargo, la luz no es un móvil como un tren o un electrón, por eso, en cierto modo, resulta un uso abusivo del lenguaje emplear la expresión «velocidad de la luz»; e invita a algunos a plantear: ¿la luz no responde a los principios y leyes del movimiento?

Al entender la luz no como un móvil al uso, Einstein sustituyó el concepto de simultaneidad de movimientos que se obtiene de la concepción clásica física de velocidad de un cuerpo por la idea de velocidad de la luz como un invariante (ya que no depende del sistema de referencia). Expresado en términos de espacio, la luz es una de sus propiedades características, ya que el espacio carece de realidad si no está asociado a algo.

Se empezó a designar como c al valor constante de la velocidad de la luz al que Einstein nos había acostumbrado. Este cambio de símbolo tiene la ventaja de que ayuda a visualizar que la luz no es un objeto mecánico.

La luz es una onda, digamos un campo en sentido más general, y se halla en el marco de definición del fenómeno electromagnético o, expresado de un modo más explícito, siempre está ligada a campos electromagnéticos de los cuales no es más que un caso particular.

Einstein mostró que la velocidad de la luz (ligada siempre a su naturaleza de campo electromagnético) es una característica definitoria del espacio.

Una pregunta ad hoc: ¿la «velocidad de la luz» en qué se parece a la velocidad?

Admitido el escenario descrito en los párrafos anteriores, surge una pregunta: ¿se puede manipular, estudiar, analizar la velocidad de la luz en los mismos términos en que se haría si se tratara de un móvil mecánico?

La analogía puede concebirse así: la velocidad de la luz aparece como la relación entre dos intervalos uno de distancia (recorrido considerado) y otro de tiempo.

Esta idea se completa en relatividad restringida (o especial) al imbricar en el espacio tridimensional la dimensión temporal. Einstein nos presentó en la teoría de la relatividad restringida (o especial) que el espacio y el tiempo están involucrados entre sí. Así pues, el escenario en el que suceden los eventos del mundo se puede explicar como un continuo espacio-tiempo de cuatro dimensiones.

En este escenario, c es el factor de conversión que permite transformar distancias en intervalos de tiempo, es la base de la reunión entre espacio y tiempo; expresado de otro modo, es una constante estructural que define el espacio-tiempo (esta explicación está asociada a una conceptualización matemática especializada).

¿Qué es una constante fundamental y por qué c lo es?

Una constante física fundamental es un parámetro, no determinado previamente, que aparece en la formulación de las leyes de la naturaleza. Esta definición general relaciona constantes y teorías físicas, y de este modo imposibilita estudiar estas constantes sin establecer el marco teórico en el que aparecen.

En la actualidad, los físicos consideran varios tipos de constantes fundamentales. En lo que aquí nos interesa, c, velocidad de la luz, pertenece al tipo de constantes que debe medirse, porque no hay ningún elemento más esencial, ni siquiera teórico, que permita calcularla.

La constante c (y también las constantes G y h) aparecen para resolver cierto tipo de problemas que surgen cuando se busca solucionar contradicciones teóricas o experimentales en teorías físicas anteriores a la utilización de estas constantes, esto se debe a que cualquier teoría física hay que asociarla un marco de validez que a la vez sea explicativo y predictivo.

Einstein mostró que la velocidad de la luz (ligada siempre a su naturaleza de campo electromagnético) es una característica definitoria del espacio.

Epílogo: Einstein y la historia de la cuantización de la luz

En 1900, Planck introdujo la idea de cuantización de la energía. Sin embargo, aunque parezca paradójico, no creía que la energía electromagnética pudiera concentrarse en «cuantos» discretos. De hecho, inicialmente había presentado la cuantización como un artificio matemático, que además él mismo calificó como un acto de desesperación, mientras tanto él y otros trataban de encontrar una mejor solución; por otra parte, sus hallazgos y sus suposiciones concordaban bastante bien con todo lo que pretendía describir.

Sin embargo, Einstein atribuyó por vez primera a los cuantos de luz significado físico. Sirviéndose de esta hipótesis explicó algunos fenómenos luminosos asociados con la interacción luz y materia que, a diferencia de los fenómenos ópticos (reflexión, refracción, interferencia), mostraban comportamientos no fácilmente explicables en el contexto de la teoría electromagnética de Maxwell. Entre estos, consideró también el efecto fotoeléctrico (descubierto por Hertz en 1887) o la emisión de electrones desde los metales sobre los que incide un haz de luz;  aunque es importante señalar que sobre este aspecto había bastantes estudios experimentales realizados por Philip Lenard, quien había encontrado con desagrado que sus resultados no coincidían con la teoría de Maxwell, resultados que Einstein tuvo éxito en interpretar con extraordinaria eficacia, imaginando un mecanismo simple que implicaba una interacción directa entre los cuantos de energía luminosa y los electrones de los metales.

Esta teoría fue recibida con escepticismo incluso por Planck, que la consideraba imprudente en comparación con las múltiples garantías empíricas que proporcionaba la teoría ondulatoria de la luz, también debido a que efectuar un riguroso control experimental conllevaba notables dificultades.

Desde el punto de vista teórico la síntesis entre el tiempo y el espacio, unificando estos dos conceptos en el espacio-tiempo no produce un simple nuevo concepto suma. Minkowski (explicó que los dos conceptos previos desaparecen y el resultado es «una nueva realidad independiente» que se puede imbricar con la constante de Planck, y se puede introducir mediante la relación Planck-Einstein.

En 1916, Millikan realizó una comprobación experimental precisa y completa de la explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico, con un resultado excelente que maravilló al propio Millikan.

Deja tu comentario!