La luz está a nuestro alrededor, pero ¿cuánto sabes realmente de los fotones que pasan por delante de ti?
Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Kimberly Boustead
Por Matthew R. Francis, para Symmetry Magazine Abril 19 de 2016
Hay más a la luz de lo que parece. Aquí hay ocho hechos esclarecedores sobre los fotones:
Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Kimberly Boustead
1. Los fotones pueden producir ondas de choque en el agua o en el aire, similares a los aumentos sonoros.
Nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz en el vacío. Sin embargo, la luz se ralentiza en el aire, agua, vidrio y otros materiales como fotones interactúan con los átomos, lo que tiene algunas consecuencias interesantes.
Los rayos gamma de mayor energía del espacio golpearon la atmósfera de la Tierra moviéndose más rápido que la velocidad de la luz en el aire. Estos fotones producen ondas de choque en el aire, al igual que un auge sonoro, pero el efecto es hacer más fotones en lugar de sonido. Observatorios como VERITAS en Arizona buscan esos fotones secundarios, conocidos como radiación Cherenkov. Los reactores nucleares también exhiben la luz de Cherenkov en el agua que rodea el combustible nuclear.
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2. La mayoría de los tipos de luz son invisibles a nuestros ojos.
Los colores son la forma de nuestros cerebros de interpretar la longitud de onda de la luz: hasta dónde la luz viaja antes de que el patrón de onda se repita. Pero los colores que vemos, llamados luz visible u óptica, son sólo una pequeña muestra del espectro electromagnético total.
El rojo es la luz de longitud de onda más larga que vemos, pero estirar las olas más y obtener infrarrojos, microondas (incluyendo las cosas que cocinar con) y las ondas de radio. Longitudes de onda más cortas que el ultravioleta ultravioleta de rayos violeta, los rayos X y los rayos gamma. La longitud de onda es también un soporte para la energía: las longitudes de onda largas de la luz de radio tienen baja energía, y los rayos gamma de longitud de onda corta tienen la energía más alta, una razón importante por la que son tan peligrosos para los tejidos vivos.
Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Kimberly Boustead
3. Los científicos pueden realizar mediciones en fotones individuales.
La luz está hecha de partículas llamadas fotones, haces del campo electromagnético que llevan una cantidad específica de energía. Con experimentos lo suficientemente sensibles, puede contar fotones o incluso realizar mediciones en uno solo. Los investigadores incluso han congelado la luz temporalmente.
Pero no pienses en los fotones como si fueran bolas de billar. También son ondulantes: pueden interferir entre sí para producir patrones de luz y oscuridad. El modelo de fotones fue uno de los primeros triunfos de la física cuántica; trabajos posteriores mostraron que los electrones y otras partículas de materia también tienen propiedades ondulatorias.
Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Kimberly Boustead
4. Los fotones de los aceleradores de partículas se usan en química y biología.
Las longitudes de onda de la luz visible son más grandes que los átomos y las moléculas, así que literalmente no podemos ver los componentes de la materia. Sin embargo, las longitudes de onda cortas de los rayos X y la luz ultravioleta son adecuadas para mostrar una estructura tan pequeña. Con métodos para ver estos tipos de luz de alta energía, los científicos obtienen una visión del mundo atómico.
Los aceleradores de partículas pueden hacer fotones de longitudes de onda específicas acelerando electrones usando campos magnéticos; esto se llama "radiación sincrotrón". Los investigadores utilizan aceleradores de partículas para hacer rayos X y luz ultravioleta para estudiar la estructura de moléculas y virus e incluso hacer películas de reacciones químicas.
Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Kimberly Boustead
5. La luz es la manifestación de una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza.
Los fotones llevan la fuerza electromagnética, una de las cuatro fuerzas fundamentales (junto con la fuerza débil, la fuerza fuerte y la gravedad). A medida que un electrón se mueve a través del espacio, otras partículas cargadas lo sienten gracias a la atracción eléctrica oa la repulsión. Debido a que el efecto está limitado por la velocidad de la luz, otras partículas realmente reaccionan a donde estaba el electrón en lugar de donde realmente está. La física cuántica explica esto describiendo el espacio vacío como una sopa hirviente de partículas virtuales. Los electrones lanzan fotones virtuales, que viajan a la velocidad de la luz y golpean a otras partículas, intercambiando energía e impulso.
Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Kimberly Boustead
6. Los fotones son fácilmente creados y destruidos.
A diferencia de la materia, todo tipo de cosas puede hacer o destruir los fotones. Si estás leyendo esto en una pantalla de computadora, la luz de fondo está haciendo los fotones que viajan a tu ojo, donde se absorben - y se destruyen.
El movimiento de los electrones es responsable tanto de la creación como de la destrucción de los fotones, y ese es el caso de mucha producción y absorción de luz. Un electrón que se mueve en un campo magnético fuerte generará fotones justo desde su aceleración.
Del mismo modo, cuando un fotón de la longitud de onda derecha golpea a un átomo, desaparece e imparte toda su energía para patear el electrón en un nuevo nivel de energía. Un nuevo fotón se crea y se emite cuando el electrón cae de nuevo en su posición original. La absorción y la emisión son responsables del espectro único de luz que tiene cada tipo de átomo o molécula, que es una manera importante en que los químicos, físicos y astrónomos identifican las sustancias químicas.
Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Kimberly Boustead
7. Cuando la materia y la antimateria se aniquilan, la luz es un subproducto.
Un electrón y un positrón tienen la misma masa, pero propiedades cuánticas opuestas tales como carga eléctrica. Cuando se encuentran, los opuestos se anulan entre sí, convirtiendo las masas de las partículas en energía en forma de un par de fotones de rayos gamma.
Ilustración de Sandbox Studio, Chicago con Kimberly Boustead
8. Usted puede chocar los fotones para hacer partículas.
Los fotones son sus propias antipartículas. Pero aquí está el bit divertido: las leyes de la física que gobierna los fotones son simétricas en el tiempo. Eso significa que si podemos chocar un electrón y un positrón para obtener dos fotones de rayos gamma, deberíamos ser capaces de chocar dos fotones de la energía derecha y obtener un par electrón-positrón.
En la práctica eso es difícil de hacer: los experimentos exitosos generalmente implican otras partículas que no son sólo la luz. Sin embargo, dentro del LHC, el gran número de fotones producidos durante las colisiones de protones significa que algunas de ellas se golpean de vez en cuando.
Algunos físicos están pensando en construir un colisionador fotón-fotón, que dispararía haces de fotones en una cavidad llena de otros fotones para estudiar las partículas que salen de colisiones.
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