La velocidad de la luz en el vacío, representada por c, es un valor constante. Sin embargo, esto no significa que los fotones (partículas de luz) siempre viajen a esta velocidad.
¿Qué tienen en común los fotones y los piratas?
¡Ambos viajan a «c»!
¡»C» se refiere a la velocidad de la luz, por supuesto!
Pero, ¿es cierto que los fotones siempre viajan a la velocidad de la luz en el vacío, representada por ‘c’?
Antes de poder responder a esta pregunta, hay algunos conceptos que debemos entender.
Volviendo a lo básico
Según la teoría fotoeléctrica de Albert Einstein, la luz no se emite de manera continua, sino en unidades discretas de energía conocidas como fotones. Básicamente, un fotón es la cantidad más pequeña de radiación electromagnética y no tiene masa.
Un fotón presenta propiedades tanto de onda como de partícula.
Curiosamente, un fotón es tanto una onda como una partícula, según la hipótesis de de Broglie. Los fotones demuestran características tanto de ondas como de partículas. Participan en fenómenos de tipo ondulatorio como la polarización, la difracción y la interferencia, así como en fenómenos de tipo partícula como el efecto fotoeléctrico y la dispersión de Compton.
Propagación de las ondas electromagnéticas
Dado que un fotón es una forma de radiación electromagnética, es necesario profundizar en la propagación de las ondas electromagnéticas.
Las ondas electromagnéticas se crean por la interacción entre campos eléctricos y magnéticos, siendo los vectores de campo eléctrico y magnético perpendiculares entre sí. La dirección de propagación es perpendicular tanto a los componentes eléctricos como magnéticos.
En una onda electromagnética, los campos eléctrico y magnético vibran perpendicularmente entre sí (Crédito de la foto: udaix/Shutterstock).
Según las ecuaciones de Maxwell, la velocidad de las ondas electromagnéticas a través de un medio está dada por:
donde «c» representa la velocidad de la luz en el vacío, que es igual a 300,000 kilómetros por segundo.
ξ denota la constante dieléctrica del medio, y Μ representa la permeabilidad magnética del medio.
A partir de la ecuación anterior, es evidente que si bien la velocidad de la luz (una onda electromagnética en sí misma) en el vacío permanece constante, la velocidad de una onda electromagnética a través de un medio depende de las propiedades de ese medio.
¿Todos los fotones en el mundo se mueven a la misma velocidad?
Según la ecuación anterior, la respuesta a esta pregunta es NO, porque sabemos que un fotón también es una onda electromagnética.
La velocidad de un fotón depende de las características del medio a través del cual se propaga, debido a las interacciones con las partículas en el medio.
Curiosamente, la velocidad de un fotón en el vacío no se ve influenciada por su energía o frecuencia. Por ejemplo, los rayos ultravioleta energéticos y los rayos infrarrojos menos energéticos viajan a la misma velocidad a través de un vacío. Esta velocidad siempre es un valor constante de ‘c’, igual a 300,000 kilómetros por segundo.
Cuando un fotón se mueve de un medio menos denso ópticamente a un medio más denso (como de aire a vidrio), su velocidad disminuye porque las partículas en el medio obstruyen su camino. Sin embargo, la frecuencia del fotón permanece la misma. Por el contrario, cuando el fotón se mueve de un medio más denso ópticamente a un medio menos denso (como de vidrio a aire), su velocidad aumenta.
Cuando se introduce un fotón en una forma única de materia conocida como Condensado de Bose-Einstein, puede viajar tan lento como 25 kilómetros por hora. Los Condensados de Bose-Einstein consisten en átomos extremadamente fríos con energía mínima. Estos átomos exhiben comportamiento cuántico y poseen propiedades peculiares. Cuando los fotones interactúan con estos átomos, se transforman en partículas híbridas llamadas polaritones, que se mueven más lentamente que los protones. Experimentos también han demostrado que los Condensados de Bose-Einstein pueden almacenar luz temporalmente.
¿Qué sucede si viajas a la velocidad de un fotón? Según la teoría de la relatividad, la masa aumenta a medida que la velocidad aumenta. Por lo tanto, si viajaras a la velocidad de la luz, tu masa se volvería infinita y todo a tu alrededor parecería desacelerarse. Este fenómeno se conoce como «dilatación del tiempo», donde el tiempo pasa más lento para los objetos que se mueven a altas velocidades. Sin embargo, lograr este escenario hipotético es imposible debido a nuestras limitaciones físicas. Por lo tanto, no es posible que los seres humanos viajen a la velocidad de la luz.
La luz, a menudo considerada la partícula más simple en el universo, no pudo viajar libremente durante casi medio millón de años. Durante este tiempo, reinaba la oscuridad. Solo después de la expansión del universo después del Big Bang, los fotones pudieron moverse y propagarse sin restricciones.
Mientras haya luz, ya sea que se mueva increíblemente rápido, extremadamente lento o estética, nuestras vidas se hacen más fáciles y el mundo que nos rodea se ilumina.