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¿Cuánto pesa la luz, o no tiene masa?
Algunos de mis aventajados alumnos de segundo de
bachillerato, que estos días atendían con interés las preguntas
que he propuesto en mis clases sobre los principios
fundamentales de la Física Moderna, me han animado a
plantear respuestas a las cuestiones formuladas sobre las
propiedades y naturaleza de la luz y, por supuesto, de la
materia. Claro que también puede plantearse qué interés
puede tener si la luz pesa o no pesa. La respuesta está en la
misma esencia de la Física, la cual adopta un paradigma para
elaborar modelos explicativos del comportamiento de la
naturaleza; modelos que hacen avanzar en la comprensión de
las propiedades de la materia y, hoy por hoy, es una cuestión
de importancia vital.
Por paradigmas científicos se entienden en Física las
concepciones y modelos interpretativos del comportamiento
de la naturaleza, acompañados de las normas que guían los
procedimientos de investigación y que suelen ser aceptadas
por la comunidad científica. Cuando un paradigma ya no
puede satisfacer los requerimientos de una ciencia, por
ejemplo, por ser incapaz de responder a nuevos hallazgos
que invalidan los conocimientos previos, es sucedido por otro.
Esto es lo que ocurrió a comienzos del siglo XX, un abandono
de la Física Clásica (Mecánica Newtoniana del siglo XVIII y
ciertas concepciones del electromagnetismo del siglo XIX).
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Si se hace la pregunta, ¿tiene masa la luz?, a estudiantes de
Ciencias de bachillerato e incluso de primeros cursos de
carreras de Ciencias o de ingeniería, además de parecerles
ociosa la pregunta, la mayoría contestarán con seguridad que
la luz no tiene masa y solamente unos pocos no estarán
seguros qué responder. En este artículo se trata de dar una
respuesta coherente sobre las características de lo que se
conoce como “luz” en la Física Moderna, es decir en la Física
posterior a comienzos del siglo XX, Física relativista y Física
cuántica, y cuyos paradigmas tienen vigencia hoy
En Física se entiende por onda cualquier perturbación del
medio (una variación de una magnitud física) periódica, es
decir, que se repite en el tiempo y se transmite con velocidad
finita en el medio considerado. Claro que comprender qué es
una onda mecánica es mucho más simple (tenemos la idea de
una especie de “ola”) que una onda electromagnética, donde
la perturbación es una variación temporal del valor del campo
eléctrico y magnético (campo electromagnético) que viaja a la
velocidad de 299.792.458 m/s (≈ 3.108 m/s) en el vacío, o sea,
la velocidad de la luz. No es fácil comprender que un campo
electromagnético, que no es más que una perturbación o
propiedad adquirida por el espacio debida a la presencia de
cargas en movimiento, viaje sin que se mueva ninguna
partícula. Antes que nada conviene revisar cuál era la
concepción clásica o electromagnética de la luz que, en
esencia, perdura hoy en los libros de texto elementales. La
luz, según esta concepción, es una onda electromagnética
igual que las ondas de radio, de televisión, las del microondas
o la radiación infrarroja (“ondas de calor”). También son ondas
electromagnéticas la luz visible, la ultravioleta, los rayos X, los
rayos gamma y los rayos cósmicos. Por ejemplo, una onda
electromagnética, de la radio se origina en un circuito eléctrico
oscilante, en el que los electrones van y vuelven de un
extremo a otro con una gran frecuencia. Cuanto mayor es la
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frecuencia, más corta es la longitud de onda y más energético
es el movimiento ondulatorio. La diferencia entre las ondas
electromagnéticas está en su frecuencia. Por ejemplo, las
ondas de radio tienen una frecuencia de unos kiloHertz (kHz =
103 oscilaciones por segundo) o unos cientos de megaHertz
en UHT (MHz = 106 Hz), las ondas del microondas son de una
frecuencia de 915 MHz, mientras que la luz visible tiene una
frecuencia que va desde 3,5.1014 Hz a 7. 1014 Hz. Mayores
frecuencias tienen los rayos ultravioleta, los rayos X y los
rayos gamma.
¿Qué propiedades tiene una onda? Las ondas tienen dos
propiedades que no tienen los corpúsculos (digamos, cuerpos
con dimensiones): interferencia y difracción. Cuando dos
ondas coinciden en una región del espacio, el movimiento
ondulatorio resultante es la suma de ambos (interferencias),
pero después cada onda continúa como si no hubiera ocurrido
nada. Como las interferencias, la difracción solamente se
puede explicar en movimientos ondulatorios y no tiene sentido
en partículas. Consiste en la desviación de la propagación de
las ondas cuando encuentran un
obstáculo o cuando atraviesan una
rendija de dimensiones parecidas o
menores a la longitud de onda. En
la figura adjunta se ha representado
una onda en el agua, que al
atravesar dos pequeños orificios se
convierte en dos focos de ondas
circulares, las cuales interfieren
entre sí.
A la cuestión, ¿qué transporta una onda electromagnética?
cabe responder lo mismo que en cualquier onda mecánica:
momento lineal (cantidad de movimiento m.v) y energía.
Pero, ¡si no se mueve ninguna partícula (en el vacío)!. Aunque
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no parezca muy comprensible, un receptor situado a gran
distancia de la fuente de las ondas de radio percibirá la
variación del campo electromagnético, o sea, recibirá energía
y momento lineal, que emite la fuente (el emisor pierde
energía a medida que emite la onda electromagnética).
Pero la concepción clásica de la luz como onda
electromagnética (también las propias ondas) se puso en
entredicho al comienzo del siglo XX cuando el físico alemán
Max Planck (1858-1947), en un intento de explicar los
resultados experimentales de la emisión de radiación de los
cuerpos incandescentes, o mejor, de la idealización del emisor
de radiación perfecto, el “cuerpo negro”, llegó a la conclusión
que era imposible emitir la radiación en forma continua, o sea
en forma de onda electromagnética. Según la hipótesis de
Planck la energía radiante se emite de forma discontinua, en
“paquetes” o cuantos de energía. La energía de cada cuanto o
paquete energético era proporcional a la frecuencia ν de la
radiación, o sea, Equanto = h.ν
ν. De ahí el nombre de la nueva
física, Física Cuántica. Claro que para Planck no era más que
una hipótesis necesaria para poder explicar los resultados
experimentales. Sin embargo, pocos años más tarde las
experiencias sobre el efecto fotoeléctrico (arrancar
electrones de un metal mediante una radiación visible,
ultravioleta o rayos X) pusieron de manifiesto que la radiación
no sólo se emite en forma discontinua, quantos o fotones de
luz, sino que se recibe de forma discontinua.
Albert Einstein (1879-1955) dio una brillante explicación
cuantitativa del efecto fotoeléctrico, en la que supuso que la
ecuación de Planck para la emisión de radiación era correcta,
dado que los quantos (fotones, les llamó posteriormente N.
Lewis) de luz eran los responsables de la interacción con la
materia. Dicho de otro modo, cuando una radiación incide
sobre un metal o sobre cualquier átomo, lo hace como una
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partícula de energía E = h.ν
ν, la cual, en el efecto fotoeléctrico,
se emplea en arrancar los electrones y dotarlos de energía
cinética o, en el caso de las excitaciones electrónicas dentro
de los átomos, para promocionar el electrón a un nivel de
energía superior. En este último caso, los electrones emiten
espontáneamente fotones cuando vuelven a sus estados de
energía original. Incluso propuso que la emisión de fotones
por parte de los electrones excitados de los átomos podría
inducirse y también provocar una emisión de fotones
estimulada. Esta idea constituyó el núcleo teórico de una
búsqueda que culminó en 1961 con la emisión de los rayos
LASER, acrónimo del inglés, Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation, amplificación de luz por emisión
estimulada de radiación. Las explicaciones de Einstein
llevaron al físico americano A. H. Compton (1892-1962) a
explicar el efecto del “choque” de la luz sobre electrones
débilmente ligados de parafina o de grafito. ¡La luz dispersada
en el choque tenía mayor longitud de onda que la luz
incidente!, o sea, perdía energía y la ecuación experimental se
podía deducir aplicando los principios de conservación del
momento lineal (m.v) y de la energía cinética, igual que si se
tratara de bolas de billar chocando; ¡la luz se comporta
como las partículas!
El modelo de quantos o fotones de Einstein para la radiación
también tenía su explicación y coherencia dentro de la teoría
de la relatividad. La energía total de cualquier partícula
(corpúsculo) es E = Ereposo + Ecinética = mc2, donde m es la
masa equivalente y c la velocidad de la luz en el vacío.
Cuando son emitidos los “fotones” suponen una pérdida de
masa para la partícula emisora, o cuando se reciben, una vez
en reposo no son fotones, la partícula receptora gana masa.
La luz no tiene masa en reposo, dado que ¡no es luz!
Entonces, la energía de la luz es Eluz = mc2 = h.ν, y su
momento lineal p = mc. La masa es la magnitud que relaciona
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la fuerza aplicada a un cuerpo y la aceleración que éste
adquiere, de manera que cuanto mayor es la masa más
pequeña es la aceleración de un cuerpo al aplicarle una
fuerza determinada. Además, la masa es una propiedad por la
cual una partícula atrae a otra con una fuerza de gravitación,
lo que significa que a mayor masa, mayor atracción
gravitatoria. De hecho, la luz, que en el espacio “libre” (de
interacciones) se propaga en línea recta, se curva en
presencia de campos gravitatorios intensos acercándose a la
masa que provoca la modificación del espacio, como se
muestra en las figuras.
Todo cuerpo que emite luz pierde una masa equivalente y
todo cuerpo que recibe luz aumenta su masa. Luego, la luz sí
tiene masa y, por consiguiente, pesa igual que cualquier
partícula de materia. La luz es materia, aunque su
comportamiento ha provocado la búsqueda de nuevos
paradigmas científicos, porque además de poderse describir
como ondas electromagnéticas, puede describirse como se
hace con cualquier corpúsculo. Pero este comportamiento
dual, por su complejidad, será objeto de otro artículo.
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