En entradas anteriores (El Efecto Doppler y La Expansión del Universo) mencionamos una ecuación que nos permitía relacionar la frecuencia emitida (como el sonido "real" que sale de la sirena de una ambulancia) con la frecuencia percibida (sonido "distorsionado" que oímos). En la entrada de hoy vamos a intentar razonar por qué es así:
A. Observador en movimiento y fuente en reposo
El observador somos nosotros, los que percibimos, por ejemplo, un sonido. La fuente es el instrumento que emite ese sonido. Imaginemos un piano sonando y nosotros acercándonos hacia él. Las ondas que emite tienen una longitud de onda constante, pero al acercarnos, la frecuencia con la que nos llegan aumenta. Ahora intentaremos sacar una fórmula que relacione ambas frecuencias dependiendo de la velocidad con la que nos acerquemos (o alejemos):
Esta será la notación que usaremos en la entrada de hoy:
Como la longitud de onda no varía, igualaremos la longitud emitida con la percibida, y despejando obtendremos la ecuación encuadrada:
Cabe destacar que si el observador se aleja de la fuente, el signo "+" del numerador se transforma en un "-", por lo que la frecuencia al alejarnos de un sonido disminuirá y al acercarnos, aumentará.
B. Fuente en movimiento y observador en reposo
Si la fuente se aleja respecto a nosotros, cada pulso nos llega desde más lejos que el anterior, por lo que la longitud de onda aumentará de esta forma:
En el caso de que la fuente se acerque, la longitud de onda disminuiría, por tanto la frecuencia aumentaría y en el denominador de la fórmula encuadrada superior habría que poner un "-" en vez de un "+".
Fórmula General
Vamos a deducir una fórmula general en el caso de que tanto fuente como observador estén en movimiento.
Y como es lógico, combinándolas todas obtenemos la general:
El signo del numerador será "+" cuando el observador se acerque a la fuente, y "-" cuando se aleje. El signo del denominador será "-" cuando la fuente se acerque al observador y "+" cuando se aleje.
Antes de nada, ¿alguna vez te has percatado de que cuando una ambulancia se aleja por la carretera suena distinto que cuando se acerca? Cuando viene hacia nosotros suena más agudo, y a medida que se aleja suena más grave. ¿Te has preguntado alguna vez por qué? En la entrada de hoy intentaré explicar ese efecto, el Efecto Doppler.
El nombre proviene del físico austríaco Christian Andreas Doppler, conocido por sus estudios sobre lo que vamos a explicar en esta entrada.
Si nos encontramos en una barca parada en el mar, podemos observar que las olas golpean nuestra embarcación por todos los lados. Imaginemos que cada segundo nos golpea una ola (frecuencia de 1 ola/segundo, técnicamente 1 Hz). Ahora comenzamos a remar. Observamos que en la dirección de nuestro movimiento, las olas no golpean con mayor frecuencia que las que vienen por detrás, que nos tienen que "perseguir".
Esto quiere decir que si nos acercamos a una fuente de ondas, la frecuencia aumenta, y si nos alejamos, disminuye.
Si lo que se mueve es la fuente, como en el caso de la sirena de una ambulancia, también se producirán cambios en la frecuencia. Si se acerca, cada pulso de onda se emitirá más cerca de nosotros y eso lo percibiremos como un aumento de la frecuencia. En cambio, si se aleja, las ondas se emiten cada vez desde más lejos y se traducirá en una disminución de la frecuencia.
Si la fuente se acerca, aumentará la frecuencia; y si la fuente se aleja, disminuirá.
Aumento de la frecuencia en la dirección de la fuente
y disminución de la misma al lado opuesto.
Mediante esta fórmula podemos conocer cómo varía la frecuencia que percibimos según nuestra velocidad y la de la fuente:
Utilizando la ecuación anterior vamos a intentar realizar el siguiente problema:
Un violinista se desplaza en coche hacia nosotros con una velocidad constante de 120 km/h. Durante el trayecto toca con su violín la nota La (440 Hz). Averigua la nota que oiremos nosotros. La velocidad del sonido en el aire es de 343 m/s.
Aplicando la fórmula de la imagen superior, hallamos que esa frecuencia es de 487 Hz, lo que aproximadamente se corresponde con un Si (un tono superior al La).
En el siguiente vídeo se visualiza muy bien el contenido de esta entrada.
Para resumir: el Efecto Doppler es la variación de la frecuencia de una onda debido al movimiento relativo entre la fuente emisora y el observador.
Edwin Hubble utilizó este efecto para descubrir que el Universo se encuentra en expansión acelerada. ¿Cómo lo hizo? No te pierdas mi próxima entrada, que trata sobre eso.
Si quieres echar un vistazo a una demostración más formal de todo esto, clic aquí.
Por último, si quieres saber más sobre el Efecto Doppler Relativista, clic aquí.
Tampoco te olvides de comentar y de compartir esta publicación, que es gratis.
Espero que hayáis disfrutado leyendo esta serie tanto como yo escribiéndola, y que hayáis sentido la satisfacción de haber entendido un poco más sobre algo que a primera vista no es muy intuitivo, pero que después de todo se puede llegar a entender. Un saludo muy fuerte. Si queréis alguna serie sobre otra teoría o que hable sobre otro tema, hacédmelo saber en los comentarios y me informaré para escribirla.
Te encuentras en el espacio, y sabes que te mueves pero no sabes ni hacia dónde ni a qué velocidad. Pero tienes una linterna y un aparato que mide la velocidad de la luz. Como sabes, la velocidad de la luz en el vacío (de ahora en adelante, c) es de 300.000 km/s. Si quieres saber cómo de rápido te mueves, puedes hacer lo siguiente: imagina que tu velocidad es de 100.000 km/s, pero tú no lo sabes. Entonces apuntas con la linterna hacia delante y mides que la luz viaja a 400.000 km/s, y hacia atrás a 200.000 km/s.
Eso intentaron hacer los físicos Milchelson y Morley en el año 1887: medir la velocidad de la luz en diferentes direcciones sobre la superficie terrestre para saber a qué velocidad y hacia dónde se movía la Tierra. Para su sorpresa, siempre que medían la velocidad obtenían el mismo valor: 300.000 km/s. Una de dos, o la Tierra estaba quieta (algo que ya se sabía que no era cierto), o quec era constante.
Morley (izquierda) y Milchelson (derecha)
Años más tarde, Albert Einstein presentó su famosa Teoría de la Relatividad. Uno de los dos postulados clave en su teoría fue: la luz siempre se propaga en el vacío con una velocidad constante c que es independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor y del estado de movimiento del observador.
Ese postulado es uno de los más importantes en física teórica, aunque a primera vista no parezca gran cosa. El darnos cuenta de que la velocidad de la luz sea una constante ha hecho avanzar nuestro conocimiento de manera exponencial. Sin él, no tendríamos la tecnología que tenemos hoy en día, y el mundo tal y como lo conocemos sería muy diferente.
A partir de la invariabilidad de c, y mediante una serie de experimentos mentales para entender razonamientos tan ilógicos, hemos conseguido demostrar cosas increíbles. Una de ellas es que ni el espacio ni el tiempo son absolutos, sino que juntos forman el espacio-tiempo, cuya curvatura viene dada, entre otras cosas como el campo gravitatorio, por nuestra velocidad.
¿Te puedes creer que si viajásemos por el espacio a velocidades muy cercanas a la de la luz, y luego regresásemos a casa, nuestros seres queridos habrían envejecido muchos años o incluso habrían muerto? ¿Y si te digo que las longitudes se contraen a grandes velocidades? ¿O que una bola de 1 kg puede llegar a pesar miles de toneladas por el simple hecho de moverse muy rápido?
En las próximas entradas intentaré hablar de las consecuencias más interesantes de la Teoría de la Relatividad de Einstein, tales como la dilatación temporal, la contracción espacial o el aumento de la masa. También expondré una serie de paradojas, ilógicas aparentemente, pero consecuencias necesarias de los sencillos postulados de Einstein. Al final de esta serie, espero que tanto vosotros como yo hayamos aprendido y comprendido uno de los grandes logros de la física moderna. Nos vemos en la siguiente entrada con "La dilatación del Tiempo"(que puedes leer aquí).
"Lo más incomprensible del Universo, es que sea comprensible"
Albert Einstein
Como muchos ya sabrán, y más si aman el mundo de la astronomía, durante los próximos meses sucederán 4 eclipses lunares, lo que se conoce como tétrada. Aprovechando la ocasión, he decidido escribir una entrada sobre los eclipses lunares.
¿Cuándo y cómo se produce un eclipse lunar?
Un eclipse de Luna se produce cuando el Sol, la Tierra y la Luna se alinean en ese orden. Para que ocurra, nuestro satélite debe estar en fase de Luna Llena. Debido al mayor tamaño de la Tierra con respecto de la Luna, nuestro planeta "hace sombra" a nuestro satélite, bloqueando los rayos solares y produciéndose el eclipse, como vemos en esta imagen:
Esquema de un eclipse lunar
Según observamos en la imagen, se crean dos zonas de sombra: la zona de "penumbra", donde solo llegan algunos rayos solares; y la zona de "umbra", donde la oscuridad es total ya que la Tierra bloquea la luz solar. Dependiendo de la zona en la que se encuentre la Luna durante el eclipse, clasificamos estos de tres maneras:
Eclipse Penumbral, en el que la Luna atraviesa la zona de penumbra.
Eclipse Parcial, en el que nuestro satélite pasa por las dos zonas.
Eclipse Total, en el que la Luna se encuentra en su totalidad en la zona de umbra.
Así, desde la superficie de la Tierra, podemos ver dos zonas: La zona más roja de la imagen coincide con el lugar donde podemos observar la umbra, y por tanto el eclipse es total. La zona menos roja corresponde con la penumbra, donde el eclipse es parcial o penumbral, y la zona no teñida de rojo son los puntos donde el eclipse no es observable. En la imagen superior, el eclipse total es visible desde el océano Pacífico y la zona oeste del continente americano. En los límites del eclipse (en este caso China, Francia...) podríamos ver la Luna poniéndose por el horizonte mientras sale el Sol por el lado contrario.
Así evoluciona la Luna durante un eclipse:
El momento en el que la luna se encuentra en tonos rojizos corresponde cuando atraviesa la zona de umbra, y cuando la luna adquiere tonos grises significa que se encuentra en la zona penumbral.
Desde la Tierra, la zona de umbra y penumbra ocupan un lugar en el espacio semejante al de la siguiente imagen:
Si durante un eclipse la Luna se encuentra en la umbra, el eclipse es total y la luna se tiñe de rojo. Si se encuentra en la Penumbra, el eclipse es parcial o penumbral y se tiñe de gris.
Ahora que ya tenemos una mayor noción sobre los eclipses de Luna, pasaremos a entender por qué la Luna se colorea de rojo durante un eclipse.
La luz cambia de velocidad al pasar de unos medios transparentes a otros. Como consecuencia de ese cambio de velocidad, se produce una curvatura de los rayos luminosos, tal como vemos en la imagen inferior:
Ese grado de curvatura aumenta con la frecuencia. Vemos que los rayos más desviados (azul, violeta...) son aquellos con frecuencias más altas. Como c=λv, siendo c la velocidad de la luz en el vacío, λ la longitud de onda y vla frecuencia, a mayor frecuencia la longitud de onda es menor. De esta manera obtenemos que la luz que menos se curva es la que tiene mayor longitud de onda.
La velocidad de la luz en el vacío es la misma para todas las longitudes de onda, pero en otros medios transparentes esto no es así. Los colores con una longitud grande (rojo) reducen menos la velocidad que los que poseen longitudes más pequeñas (azul). Entonces el índice de refracción del color azul es mayor que el índice de refracción de la luz roja. De este modo, el azul se desviará más que el rojo al pasar de un medio a otro, como veíamos en la imagen de arriba.
Los rayos solares se refractan al pasar por la atmósfera. Como podemos ver en la imagen, los rayos rojos se curvan menos que los azules (y que el resto). De este modo, durante un eclipse lunar, la única luz que puede llegar a la Luna es la roja, que se refleja y nosotros observamos.
Esta es la explicación de por qué durante los eclipses lunares vemos la luna de color rojizo.
El próximo eclipse Lunar tendrá lugar el 15 de abril de 2014, a las 7:48 UTC. El siguiente el 8 de octubre de 2014 a las 10:54 UTC. Ambos son eclipses totales, que podrás ver online y en directo gracias al Proyecto Europeo Gloria, liderado por un astrónomo del Instituto Astrofísico de Canarias. El enlace a la página es el siguiente:http://live.gloria-project.eu/. También podrás verlo desde aquí: Eclipse en Vivo
¿Por qué se suele decir que lo radiactivo brilla? Descúbrelo:
Sabemos que ninguna partícula masiva puede alcanzar, y menos superar, la velocidad de la luz en el vacío. Mientras un cuerpo se mueve a velocidades relativamente pequeñas, podemos calcular su energía mediante la mecánica Newtoniana. Pero técnicamente, cuando una partícula o un cuerpo con masa en reposo m se desplaza con una velocidad v,su masa m' se obtendría de la fórmula m'=m/ß, siendo ß un factor numérico que aumenta en función de la proxímidad a la velocidad de la luz. La masa de una persona de 75 kg en reposo es de 75 kg, pero al caminar, los efectos de la relatividad hacen que esa persona pese 75,00000000001458 Kg. ¡Y LUEGO DICEN QUE CORRER ADELGAZA...!
A bajas velocidades esto no se percibe, pero a medida que nos aproximamos a c (velocidad de la luz en el vacío), su masa tiende a infinito y con ello la fuerza necesaria para acelerarla más y más. Para conseguir mover esa partícula a la velocidad de la luz, necesitaríamos energía infinita. A grandes velocidades necesitaríamos usar la mecánica de Einstein.
Ahora bien, en una entrada de hace unos días (donde hablé sobre ¿por qué el cielo es azul?) expliqué lo que era la refracción y el índice de refracción de la luz en medios transparentes. Si te interesa, échale un vistazo dando clic aquí. Básicamente, la luz cambia de velocidad al pasar de unos medios trnsparentes a otros, debido a las propiedades electromagnéticas de ese medio que frenan a los fotones constituyentes de la luz. Por ejemplo, al pasar del aire al agua, un rayo de luz reduce su velocidad refractándose, como ocurre en el arcoiris o al introducir un lapicero en un vaso con agua.
Imaginemos que tenemos una partícula que se desplaza a una velocidad de 250.000 km/s en el agua, mientras que la luz en el agua se desplaza a 225.000 km/s. Esta hipotética partícula se movería más rápido que la luz, pero solo en ese medio. En ningún momento se contradicen las leyes de Einstein, que impiden que la partícula alcance la velocidad de la luz en el vacío. La partícula no supera c, aunque en ese medio en concreto supere en velocidad a los fotones (debido, como ya dije, a la naturaleza electrostática de los átomos de ese medio).
¿Has oído hablar alguna vez de aviones supersónicos?
Avión supersónico superando la 'Barrera del Sonido'
Cuando un avión de este estilo se desplaza, crea una zona de aire a mayor presión delante suyo (debido a que lo "comprime") y una zona de baja presión tras de sí. Así se generan "ondas de presión". Cuando el avión supera la velocidad del sonido, esas ondas no tienen tiempo de alejarse antes de que la siguiente se produzca, produciéndose una onda de mayor intensidad (típico estruendo al oir a un avión superar la barrera del sonido). Conoce más en el Efecto Doppler.
Algo semejante ocurre con las ondas electromagnéticas. Veamos exactamente qué:
Supongamos que un electrón (carga negativa) se desplaza por un medio no conductor, como el agua destilada, a 250.000 km/s. la luz en ese medio lo hace a 225.000 km/s. Una carga eléctrica en movimiento (en este caso el electrón) genera un campo magnético, debido a su propio movimiento y al movimiento de los electrones de las cortezas atómicas por repulsión. La partícula "constituyente" del campo magnético es el fotón. Como el fotón en ese medio se desplaza más lentamente que el electrón, ocurre igual que con el sonido (en este caso el avión sería el electrón).
Dado que los fotones no tienen tiempo de alejarse antes de que se acumulen fotones nuevos, se crean ondas que podemos detectar. Para ello, como he dicho, debe de ocurrir en un medio no conductor.
Esta radiación de Cherenkov suele ser ultravioleta, aunque si es suficientemente fuerte podemos percibirla con la longitud de onda del azul. Pero, ¿para qué sirve todo esto?
Esta radiación tiene múltiples usos prácticos, como la detección de astropartículas cargadas provenientes del espacio, la detección de partículas subatómicas en colisionadores de partículas o incluso medir la radiación en las centrales nucleares como en la imagen inferior:
Brillo azulado debido a la radiación de Cherenkov
La intensidad de esa radiación está relacionada con los procesos de fisión nuclear: a más rendimiento, más "brilla". Ese brillo no es propio de los elementos radiactivos como solemos oír, si no de la radiación de Cherenkov.
Ahora que sabes un poco más, comenta y comparte esta entrada.
Un saludo! Hasta otra amigos!
Hoy, día 11 de febrero de 2016, los físicos están de fiesta. Han sido detectadas por el equipo de investigación LIGO ondas gravitatorias primigenias procedentes de la colisión de dos agujeros negros. Veamos un repaso general para ver de qué trata todo esto:
El Big Bang es una teoría de la evolución del Universo. Dado que es un hecho que el Universo está en expansión (demostrado por Edwin Hubble), en algún momento con anterioridad debió ocupar un volumen menor y menor...Así, podemos imaginar que al principio de los tiempos todo "estuviese concentrado en un punto". A partir de ahí surgió la Gran Explosión que originó el Universo actual. ¿Pero por qué esa explosión?
Fruto del Big Bang, y 300.000 años después de este, los electrones se asociarían con los núcleos atómicos para formar los primeros elementos (hidrógeno, helio, litio...). En esas transiciones electrónicas se emitieron fotones, que hoy en día los detectamos con satélites como el WMAP (localización) o el novísimo Planck.
Debido al Efecto Doppler, detectamos esa radiación en forma de microondas.
Imagen proporcionada por el WMAP
Este mapa inicial del Universo, donde podemos observar que la materia no está uniformemente distribuida, puede ayudarnos a ver dónde se localizan los cúmulos masivos (galaxias, grupos...) de nuestro Universo. Este es un claro argumento a favor de la Teoría del Big Bang. Pero, ¿cómo se formó el Big Bang?
En 1981, Andrei Linde y Alan Guth, dos físicos estadounidenses, presentaron su Teoría de la Inflación. En ella, el Universo comenzó debido a una serie de fluctuaciones cuánticas (aniquilación entre materia y antimateria, clic aquí para saber más). Así, se inició una expansión exponencial llamada inflación. En un intervalo de tiempo lo más diminuto imaginable, el Universo pasó de ser del tamaño de una canica al de una galaxia...
Imaginemos que todo el espacio en expansión es una olla a presión llena de agua hirviendo. Nuestro universo se formaría a partir de burbujas de ese agua hirviendo, es decir, cuando esa inflación se frena y no sabemos por qué. Esa burbuja dejaría de expandirse exponencialmente, y toda la energía liberada en ese proceso se transformaría en la materia actual del Universo, la radiación, materia y energía oscura... A partir de aquí surgen teorías como la de universos múltiples...
En esa creación de energía y materia se producen fluctuaciones. Como nos muestra el WMAP, la distribución de esa materia no es uniforme.
Modelo inflacionario
Imaginemos el Universo como una enorme sábana (el espaciotiempo). Al crearse materia sobre esa sábana, se crean ondulaciones que se propagan por toda la sábana. Esas ondulaciones de la sábana son las ondas gravitatorias, predichas por Einstein hace 100 años. Se propagan a la velocidad de la luz, así que hay cierta relación entre el fondo de microondas y estas ondas. Debido a la gran densidad del universo primitivo, esas ondas eran bastante poderosas. Clic aquí para saber más sobre Relatividad Especial.
Esos fotones del fondo de microondas poseen una determinada polarización, que depende del último átomo en el que haya rebotado esa luz. Estudiando la polarización del fondo de microondas cósmico, los físicos han determinado que en ese ambiente existían ondas gravitacionales, lo que es un argumento a la teoría de la inflación y a la de la relatividad general.
Hace pocas horas, se ha descubierto la presencia de ondas gravitatorias primigenias, ondas procedentes de los comienzos del Universo. La presencia de estas perturbaciones, meras hipótesis durante más de 30 años, es un argumento a favor de la Teoría de la Inflación. Hoy dejan de ser hipótesis.
Hoy sabemos un poco más sobre el origen del Universo.
Alan Guth, paul Steinhardt y Andrei Linde
Aquí os dejaré algunos enlaces sobre este magnífico descubrimiento:
Como prometí la semana pasada, hoy os traigo una extensión de mi entrada anterior, la cual os recomiendo leer antes para entender con claridad la de hoy: La Ciencia como nunca: 'La doble ranura'
Una vez entendido todo lo anterior, vamos a ver qué pasa cuando en vez de lanzar canicas o bolitas por las ranuras, lanzamos electrones. Al ser partículas, cabe esperar que se formen dos franjas, ¿no? Pero como ya intuiréis, no va a ser así. Al bombardear con electrones, ¡se forma un patrón de interferencia como en las ondas!
Esto ocurre básicamente porque la materia también puede tener función de onda, inversamente proporcional a su masa. Cuanto más masa posea una partícula, menos se comportará como una onda. Los electrones tienen una masa insignificante, por eso tienen función de onda, aunque pequeña. Nosotros mismos funcionamos también como onda, pero al tener una masa 'infinitamente' mayor, ese comportamiento ondulatorio es insignificante, por no decir 0.
Esta es la pantalla donde se registraron esos electrones cuando pasaban por la doble ranura:
Pantalla donde podemos ver el patrón de interferencia formado por los electrones
El experimento ha sido realizado varias veces a lo largo de la historia. Primero creyeron que se trataba de un error: pensaban que los electrones rebotaban entre ellos y por eso parecía que quedaban en forma de interferencia. Repitieron el experimento lanzando electrón a electrón y vieron que seguía ocurriendo lo mismo.
Intentando demostrar esto mediante las matemáticas, llegaron a la conclusión de que el electrón debía pasar por las dos rendijas a la vez, pero ¿cómo es esto posible?
Entonces decidieron poner detectores en las rendijas para comprobar si era verdad esto. Misteriosamente, ahora ¡cada electrón iba por una rendija y no por las dos!, y en la pantalla se formaban dos franjas...increíble, ¿no?
Cuando no miramos a los electrones por donde van, se comportan como ondas. Cuando queremos observarlos para conocer su trayectoria, ocurre algo y dejan de funcionar ondulatoriamente y se comportan como partículas.
La razón cuántica de este fenómeno lo explica el Principio de Superposición. Básicamente nos dice que una partícula, en este caso el electrón, puede poseer para una determinada magnitud (en este caso posición) todas sus posibilidades. Al ser medidos u observados, se dice que la superposición se colapsa, y solo observamos una de todas las posibilidades. Un ejemplo podría ser el siguiente: Al cojer una carta de una baraja y ponerla boca abajo sin mirarla, según el sentido común es una sola carta, ¿no? Pero según este principio, cuando no la miramos se están dando todas las posibilidades: ¡SON LAS 40 CARTAS A LA VEZ! Una vez que miramos la carta, se colapsa la superposición y se eliminan 39 posibilidades. Solo queda la carta que vemos. Erwin Schrödinger propuso una paradoja para entender esta teoría, la cual puedes leer en el siguiente enlace: El Gato de Schrödinger.Una curiosa frase pronunciada por el físico británico S. Hawking fue "Cada vez que escucho hablar de ese gato, empiezo a sacar mi pistola".
Básicamente eso es lo que ocurre en el experimento con los electrones. El electrón pasa por las dos ranuras al mismo tiempo, como ocurría con las ondas. De este modo, se formaría el patrón de interferencia. Para acabar, os recomiendo ver este vídeo que explica muy bien y resume el contenido de esta entrada:
Puede parecer que todo esto es mentira porque no encaja dentro de nuestro sentido común, pero hay muchos experimentos reales que se basan en este principio, y que son muy curiosos porque la materia se comporta de modo muy extraño. Es más, absolutamente TODOS los experimentos para poner a prueba la Teoría Cuántica han funcionado.
Este Principio de Superposición tiene mucho que ver con el Efecto Zenón Cuántico, el cual puedes leer en el siguiente enlace: Zenón Cuántico. Básicamente explica que podemos modificar un experimento cuántico con el simple hecho de observarlo. Uno muy curioso fue realizado en 1990 en el Instituto tecnológico de Colorado. Consistía en observar el nivel de energía de los electrones en unos miles de iones de berilio. Desde que los electrones se encontraban en su estado fundamental (mínima energía), hasta su máxima energía, pasaban 256 milisegundos. Mediante microondas excitaban esos electrones, y al cabo de esos 256 milisegundos, el 100% de los iones se encontraban en el nivel superior de energía. Al realizar la medición en la mitad del proceso, y después al final, resultó que solo el 50% de los iones se encontraron excitados. Esto se debe a que el electrón no se puede encontrar entre medias: solo existen dos posibilidades, o arriba o abajo (modelo atómico de orbitales). Si no medimos entre medias, siempre los encontraremos arriba; pero si medimos a medias del experimento, dado que no los podemos ver a mitad de camino, unos irán hacia arriba y otros hacia abajo. Esa es la razón por la cual solo el 50% de los iones se encontraban en ese estado. Este experimento fue otro argumento a favor de la Mecánica Cuántica.
Os recomiendo los libros 'La Puerta de los Tres Cerrojos' y 'Desayuno con Partículas', ambos de Sonia Fernández Vidal, una importante divulgadora científica especializada en Mecánica Cuántica. En sucesivas entradas hablaré del Efecto Fotoeléctrico, la otra cara de la moneda, la parte corpuscular de las radiaciones electromagnéticas.
Gracias por echar un vistazo a esta entrada,
Un Saludo para todos!
Hasta la Próxima!
Hoy en día, al hablar de la luz, podemos hacer referencia a dos cosas: por una parte la luz (y en general cualquier onda electromagnética) está formada por partículas, los fotones. Estos interactúan con la materia, como bien demostró Einstein con el 'Efecto Fotoeléctrico', por el que obtuvo el Nobel de Física en 1921. Pero también es una onda, que se propaga en todas direcciones incluso en el vacío a una velocidad constante. Estas dos interpretaciones es lo que hoy en día se conoce como la Dualidad onda-corpúsculo de la luz. En la entrada de hoy vamos a interpretar uno de los mayores experimentos en el campo de las ondas, y más adelante de la Física Cuántica, realizado por Thomas Young en 1801: El experimento de la Doble Rendija.
Ahora debemos empezar a imaginar. Imaginad encontraros en frente de una pared con una rendija y detrás de ella otra pared normal. Junto a vosotros tenéis una pistola de paintball. Si disparáis a toda la pared, la pintura pasará por la rendija, formando en la pared de atrás una banda de pintura, como en la imagen:
Una sola rendija con elementos macroscópicos
Ahora añadiremos una segunda rendija a ver qué pasa:
Bolas de pintura pasando por una placa con dos rendijas
Así quedaría la pared...
Tanto con una rendija como con dos, las bolas se distribuyen en la pared del fondo formando franjas uniformes: una si se trataba de una rendija; y dos si se trataba de dos rendijas.
¿Hasta aquí de acuerdo? Perfecto...pero, ¿y si lo hacemos con ondas?
Las ondas no se comportan como las bolitas del experimento anterior. Las ondas forman crestas y valles que surjen desde cada una de las rendijas. Si coinciden un valle y una cresta, se anulan; si coinciden dos crestas, se amplifican. Esto se llama conoce como difracción de una onda. Ocurre cuando una onda electromagnética atraviesa objetos con un grosor menor a su longitud de onda. El propio Young encontró la ecuación que relacionaba la longitud de la onda con la distancia entre las rendijas, la distancia a la pantalla...Podemos ver un ejemplo en la siguiente imagen:
Doble rendija realizada con una onda
Ahora, en la pared se formará algo distinto. Debido a esas ondulaciones, habrá zonas donde veremos que llegan las ondas y zonas donde no. La pared quedaría así:
Forma en la pared al realizar el experimento con una onda. Patrón de interferencia.
Hasta aquí tenemos dos conclusiones:
1. Si nos encontramos ante partículas, se forman dos franjas paralelas en la placa del fondo.
2. Si nos encontramos ante ondas, se forma el llamado patrón de interferencia en la placa.
En este vídeo explicativo podremos entender mejor todo lo dicho hasta ahora:
Comparación de los dos experimentos
Comparación entre ondas y partículas
Ahora bien. Young, lo que hizo en su experimento es probar si la luz se comportaba como onda o como partícula a través de este método. El resultado fue sorprendente. ¡Logró un patrón de interferencia, lo que demuestra el comportamiento ondulatorio de la luz!
La luz comportándose como onda, con el respectivo patrón de interferencia
Esto solo nos dice que la luz se puede comportar como onda, aunque depende de la circunstancia y de la naturaleza del experimento, también lo puede hacer como partícula. Aquí nos centramos en el aspecto ondulatorio, pero en mis próximas entradas trataré el comportamiento corpuscular basándome en el Efecto Fotoeléctrico de Albert Einstein. Volviendo al tema que nos incumbe, gracias al patrón de interferencia nosotros podemos medir la frecuencia y longitud de una onda, así como su energía.
En este experimento casero se demuestra lo dicho ahora, que al hacer pasar la luz por una doble rendija no forma dos franjas como cabría esperar, si no el patrón de interferencia:
Enlace para ver desde YouTube si desde aquí no te funciona: Doble Rendija Casera.
Hemos llegado al objetivo de la entrada, demostrar el comportamiento ondulatorio de la luz. Pero este experimento puede dar mucho más de sí que todo esto...mucho más...
Para no alargar mucho este post y complicarlo, en mi próxima entrada, que intentaré subir el martes, hablaré de este mismo experimento relacionado con la Física Cuántica. Veremos cómo se comporta la materia ante este experimento, cómo las partículas pasan por las dos rendijas a la vez cuando no miramos y cómo se comportan normal cuando volvemos a mirar...algo que seguro les va a sorprender y les resultará increíble.
Después de mucho pensar, he decidido hablar hoy sobre las auroras, tanto boreales como australes. Antes de empezar con semejante fenómeno, recordemos algunos conceptos que nos serán de utilidad.
1. Campo magnético terrestre.
Al usar una brújula, podemos saber dónde está el Norte y el Sur. Esto se debe a que la Tierra funciona como un gigantesco imán, pero...¿por qué?
En el interior de nuestro planeta, entre los 3000 y los 5000 km aproximadamente, encontramos el núcleo externo, formado por metales pesados como hierro (Fe) o níquel (Ni). Las altas temperaturas hacen que estos metales se encuentren fundidos.
Además, estos flujos que están en movimiento, crean el llamado Efecto Dinamo (como cuando giramos la manivela de las linternas recargables, generamos energía eléctrica a partir de un campo magnético producido por una dinamo). Ese movimiento es lo que se cree hoy en día que produce el campo magnético terrestre. Sin él, como luego veremos, no habría vida en nuestro planeta.
La Magnetosfera actúa como escudo ante los rayos cósmicos dañinos que proceden del Sol. Tiene un grosor de 60.000 Km en la dirección Tierra-Sol, y de 300.000 Km en sentido contrario, como vemos en la imagen inferior:
Sin la presencia de esta capa de protección, los rayos cósmicos más energéticos destruirían la atmósfera y con ella toda la vida en la Tierra. La vida en la Tierra se debe a la Magnetosfera, sin ella la vida tal y como la conocemos no sería posible.
2. Ionización y plasma.
Cuando excitamos a un átomo con una determinada energía, los electrones de su corteza "suben de nivel". Este proceso necesita energía. En cambio, cuando un electrón baja de nivel, desprende energía. La energía absorbida o desprendida es la diferencia de energías entre las capas inicial y final. Se desprende y absorbe en forma de onda electromagnética (infrarrojos, microondas, ultravioleta, rayos X, gamma...). En esta entrada nos centraremos en la parte del espectro de la luz visible, lo que provoca las auroras. Volviendo al tema de la llamada ionización de un átomo, esta se consigue al suministrar energía para que sus electrones consigan arrancarse del núcleo, como vemos en esta representación:
Electrón absorbe fotón: el átomo se ioniza (positivamente).
Pero hay un problema: el átomo tiende a estar en su estado de mínima energía, es decir, no ionizado. Si dejamos de suministrar energía, el átomo vuelve a su estado fundamental desprendiendo la energía que habíamos suministrado para ionizarlo. Es por eso por lo que es necesario el aporte continuo de energía para poder conseguir ese cuarto estado de la materia: el plasma. El plasma no es más que aquel estado de agregación posterior al gas, donde los electrones se separan de los núcleos por el aporte continuo de energía. Cuando este cesa, el plasma se disgrega.
En la imagen vemos el desprendimiento de energía al descender de órbita el electrón:
Se emite un fotón, igual al de la foto anterior.
Este proceso lo estamos viendo constantemente. Un claro ejemplo es un mechero: el fuego no es más que plasma. Los átomos del aire absorben la energía que desprende la reacción de combustión del gas del mechero, ionizándose. Al volver a su estado fundamental, emiten esa diferencia de energía en forma de luz visible, y esa es la razón por la que existe el fuego. También en las luces de Neón ocurre algo similar, donde la ionización se realiza mediante una corriente eléctrica. Por si aún hay dudas, en este breve vídeo se explica bastante bien el concepto:
En la entrada sobre la expansión del Universo también hablábamos de cómo se relacionan las emisiones de cada elemento con el Efecto Doppler y como Hubble descubrió que el universo se expandía.
3. Auroras
Bien, con todo lo que ya sabemos ha llegado el momento de explicar cómo ocurren las auroras. Partículas cargadas procedentes del Sol son atrapadas por nuestra ionosfera. Al reaccionar con los rayos ionizantes también procedentes del Sol, estas partículas se ionizan, y como hemos visto antes, emiten luz. Así son las auroras, son emisiones de luz de un plasma formado por partículas provenientes del Sol o de nuestra propia atmósfera, que pierden electrones y al ganarlos emiten esos bellos colores.
Por ejemplo, el oxígeno emite el color verde, el nitrógeno el azul o rojo...(hablamos de las emisiones de ondas de la franja visible. A parte de colores, emiten ondas que no somos capaces de ver con nuestros ojos).
Aurora boreal
Aurora austral
Ya sabemos cómo se producen las auroras, ¿no? Pero aún falta algo más...
¿Por qué solo hay en los polos?
Para responder a esta pregunta, observemos cómo se comportan las ralladuras de hierro frente a un imán:
Ralladuras de hierro con un imán
Podemos observar las líneas de campo que se forman, y vemos que estas son más densas cerca de los polos, y a medida que nos alejamos de ellos hay menos virutas de hierro.
Supongamos ahora que las virutas de hierro son ahora las partículas cargadas de las que hablamos antes. Estas se concentrarán en los polos norte y sur magnético de la Tierra. Esta es la explicación de por qué las auroras se localizan en los polos. Llamamos auroras boreales a las del polo Norte (Sur magnético) y auroras australes a las del polo Sur (Norte magnético). Os dejo un pequeño vídeo sobre una preciosa aurora boreal en Noruega:
Espero sinceramente que os haya parecido interesante esta entrada. Compartidla para difundir algo de saber sobre un tema como tal, y comentad con dudas, sugerencias...
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