Breve Curiosidad #42: Año Luz

El músico que descubrió la luz invisible.

En primer lugar, permitidme que en esta ocasión os recomiende acompañar el post con un poco de música. El compositor  no es otro que Sir William Herschel, más conocido por haber sido uno de los padres de la astronomía moderna, descubridor de Urano, dos de sus satélites Titania y Oberón y dos satélites de Saturno, Mimas y Encélado.

Originalmente, Herschel era músico, director y compositor pero en 1773, cuando tenía 35 años, compró un libro sobre astronomía  que le hizo volcarse por completo, desde ese momento y en adelante, a la ciencia del cielo.

Pero hoy no hablaremos de su obra astronómica, si no de un descubrimiento “casual”.

Como como ya expliqué cuando hablé del espectro visible, la luz puede descomponerse en sus colores (frecuencias), y su intensidad en función de su frecuencia, se llama espectro. Pero me referí al espectro visible, es decir, de la luz que nuestros ojos pueden ver. Sin embargo, hay gran cantidad, de hecho, la gran mayoría de la luz, que no podemos ver:

La parte de la luz que es visible para nosotros, es una pequeña, pequeñísima fracción de todo el espectro electromagnético.

Y si no podemos verla ¿cómo supimos que estaba ahí?

Pues el primero en detectarla de alguna forma y darse cuenta de que era luzy de que no era visible fue Herschel. El 11 de Febrero de 1800 se encontraba haciendo un experimento que consistía en hacer pasar la luz solar por un prisma, para así descomponerla por efecto de la dispersión en sus colores, y medir con termómetros la cantidad de energía que obtenía de cada color. Es decir, lo mismo que seguimos haciendo hoy con avanzadísimos espectrógrafos.

El caso es que tenía un termómetro de referencia, para saber la temperatura de su habitación y así comparar los termómetros que estaban a la luz. Y el termómetro se encontraba justo más allá del color rojo. Pero cuando fue a mirar ese termómetro de referencia ¡resulta que marcaba una temperatura mayor que el resto! es decir, se había calentado más que los demás y no había sido expuesto de forma directa a la luz que podemos ver.

Herschel repitió el experimento y los resultados le llevaron a pensar que existía un tipo de luz, que no podemos ver pero que cuya capacidad para calentar las cosas es mucho mayor. Descubrió así el Infrarrojo.

El infrarrojo es lo que nosotros notamos en la piel cuando estamos cerca de algo caliente, y que llamamos vulgarmente calor. Este tipo de luz, cuya longitud de onda es mayor que la de la luz visible, se produce en objetos calientes, pero que no están tan calientes como para comenzar a brillar.

Lo interesante del caso, es que fue la primera confirmación cuantificada, científica y confirmada de que existía algún tipo de luz invisible. Esto, para nosotros que vivimos en la época de las comunicaciones por ondas invisibles de radio, televisión, móvil y cien variantes más, no es muy “sorprendente”. Pero imaginaros el impacto que supuso para Herschel y su época: La luz, que es lo que nos permite ver, tenía un color que no podía verse. Paradójico cuanto menos.

Y por último, una última reflexión. Estamos rodeados de “sabios” e iluminados que hablan de energías invisibles e indetectables “científicamente”. Lo cual es absurdo, porque la ciencia lo único que hace es comprobar el funcionamiento de la naturalza, y si hay algún tipo de energía “invisible” (como aquí ocurría) podremos detectarla por sus efectos. Sólo se trata de confirmar que hay algo de una forma objetiva, reproducible y comprobable. Pero como en realidad no hay nada, y no se detecta nada, dicen sencillamente que la ciencia “no puede”. Pero ellos sí, claro.

Esta es la diferencia entre un genio como Herschel y los vulgares estafadores.

Estrellas: El conocimiento de la luz II

En el post anterior de esta serie, había comentado qué es un espectro y que aspecto tiene. Pero su forma nos planteaba una nueva pregunta:

¿Porqué tiene esa forma?

Cuando en la naturaleza se encuentra un hecho experimental, no podemos quedarnos ahí. Es fundamental usar la física que tenemos para explicar porqué es así, ya que hasta que no lo consigamos no habremos entendido el problema realmente. Pero si la física conocida no es suficiente, hay que plantear nuevas opciones que sean consistentes al mismo tiempo con la física anterior pero también con los nuevos hechos experimentales, cambiando toda nuestra percepción de la física en el proceso. El problema de la forma del espectro fue uno de esos problemas.

A finales del siglo XIX y principios del XX el problema del cuerpo negro traía de cabeza a los mejores cerebros de la época. El problema consistía en explicar por qué cuando algo se calienta emite radiación, y por qué la emite  como un espectro:

Podéis comprar la forma de estas curvas con lo que obteníamos experimentalmente del Sol. El parecido no es para nada casual: el Sol se comporta como un cuerpo negro. Fuente: Wikipedia

Tenéis que pensar que lo que se trata de explicar es la razón por la cual, cuando se calienta suficiente algo empieza a brillar, por ejemplo, un metal “al rojo vivo”, el magma de un volcán, las brasas de una barbacoa o en una bombilla (de las de filamento incandescente). En todos estos casos se trata de algo tan caliente que empieza a emitir luz. La cuestión es que si midiéramos la radiación de estos objetos, obtendríamos un espectro con similar forma al del Sol (aunque no igual, como ya veremos).

Debo señalar que el nombre técnico “cuerpo negro” se refiere a un cuerpo “ideal”, capaz de emitir y absorber cualquier longitud de onda por igual. Como ya vimos, los colores de los objetos se generan debido a que absorben más algunas longitudes de onda que otras. Por tanto aquí negro indica que no posee preferencia de absorción o emisión, sin embargo no implica que el objeto tenga que ser literalmente de color negro.

La física clásica (la previa al siglo XX) no sólo no lograban explicar la fórmula, si no que llevaban a la absurda conclusión de que se emitía una cantidad infinita de energía.

En 1901, un tipo muy listo, llamado Max Planck encontró la ley física que describía el funcionamiento del cuerpo negro, llamada en su honor Ley de Planck.Esta ley describe la intensidad que se emite para cada longitud de onda dependiendo de la temperatura a la que esté el cuerpo.

Lo revolucionario de esta ley es que para su deducción requería inevitablemente admitir la hipótesis cuántica (que había propuesto Planck en 1900):  la energía de la radiación electromagnética no puede tener cualquier valor, si no que está discretizada* en “paquetes”, más tarde bautizados como fotones. Para que lo entendáis fácilmente: a la luz le pasa como al dinero. Vosotros no podéis pagar 0,031 céntimos de euro, sencillamente, porque la moneda más pequeña que hay es el céntimo de euro. Así, la luz y el dinero no pueden tener cualquier valor, si no que están discretizados (toma valores discretos concretos). Podéis tener 2 céntimos o 2 fotones, pero no 2,5 céntimos o 2,5 fotones.

Todo esto fue el comienzo de la física cuántica, que nos ha permitido entender cómo se comporta la naturaleza a pequeñas escalas y ha cambiado radicalmente nuestra forma de entender el universo a lo largo del último siglo.

La historia de la física está muy bien, pero ¿qué nos dice esto de una estrella?

La forma del espectro depende de la temperatura, tal como expresa la Ley de Planck. Por tanto, si conocemos el espectro del Sol experimentalmente, podremos conocer la temperatura de su superficie**. Por extensión, si obtenemos el espectro de otras estrellas, podremos conocer también sus temperaturas.

En concreto se emplea la Ley de desplazamiento de Wien, que se deduce matemáticamente a partir de la Ley de Planck. Esta Ley nos relaciona la longitud de onda del máximo de intensidad  (la “cima de la montaña”) de un espectro, con la temperatura del cuerpo que ha emitido dicho espectro:

Cada curva, dadas por la Ley de Planck, corresponde a una temperatura diferente que podéis ver indicada junto a ella. Fuente: Wikipedia

De esta manera tenemos una forma de medir la temperatura de las estrellas sólo con su luz, sin necesidad de tener que mandar sondas a medirla.

Gracias a que podemos conocer la temperatura podremos clasificar las estrellas en grupos, llamados “clases espectrales”. Lo que nos va a permitir deducir una gran cantidad de información de las estrellas: si son jóvenes o viejas, su masa y su tamaño. Todo esto lo explicaré próximos post.

Por otro lado, queda en el aire una pregunta muy importante, que puede que se os ocurra si miráis de nuevo el espectro experimental del Sol y lo comparáis con una de esas curvas teóricas:

¿Qué son todos esos cortes y picos que tiene? Parece cómo si le hubieran cortado trozos... ¿no?

Estrellas: El conocimiento de la Luz I

Si alguien se para a pensarlo, es un poco raro que sepamos cosas como la distancia a la que está una estrella, la masa que tiene, su tamaño o si es joven o vieja, de qué está hecha, de dónde viene y hacia dónde va… ¿Cómo podemos medir y conocer todas esas cosas? Después de todo no podemos tocarlas de modo alguno, ni mandar una sonda a mirarlas de cerca o a hacer experimentos. Por no poder, no podemos ni ver el desarrollo de su vida porque es demasiado lento, tanto que ni en toda la historia humana podríamos haber visto una pequeñísima parte de la vida de cualquier estrella. Sólo son puntitos brillantes que están MUY lejos: lo único que tenemos para entenderlo todo es su luz.

Lo que deseo conseguir con esta serie de post no es dar una lección de astrofísica en profundidad, si no que cualquiera, sepa física y matemáticas o no, pueda entender cómo funcionan algunas cosas allí arriba.

El espectro visible:

Empecemos por el principio. Lo que comúnmente llamamos luz es una onda electromagnética y aunque tal vez, esto sea algo difícil de imaginar, como cualquier onda tiene una “longitud de onda”, es decir, la distancia que mide un ciclo completo de la onda, de forma que a partir de ahí, vuelve a repetirse lo mismo una y otra vez:

La letra griega lamda es el símbolo usado en física para la "Longitud de Onda". Como puede verse es la distancia entre un máximo y otro, o entre un mínimo y otro. Fuente: Wikipedia

Lógicamente la longitud de onda se mide en distancia.

Cada longitud de onda corresponde a lo que nosotros identificamos como un color. Ahora bien, nosotros no somos capaces de ver la luz de cualquier longitud de onda, nuestros ojos están limitados a ver desde 380 a los casi 780 nanometros ( 1 nanometro es una milésima de millonesima de metro). A esta franja se la llama “espectro visible”:

Como veis, desde el violeta (380 nm) hasta el rojo (a 780 nm) se cubren todos los colores que podemos ver. Fuente: Servisystem Audio

Si a esta franja la llamamos espectro visible, cualquiera podría percatarse de que existe la insinuación de que hay un espectro no visible, algo así como “luz invisible”. Esto es cierto, pero hablaré de ello en un próximo artículo.

Luz blanca:
Salvo en casos muy particulares (un láser por ejemplo), raramente encontramos que la luz esté compuesta por una única longitud de onda. Así lo que nos llega del sol es una mezcla de todas esas longitudes de onda, que llamamos “luz blanca”, debido a que está compuesta por todos los colores. Así cuando esta luz blanca incide sobre un objeto, una parte se “absorbe” y otra se refleja, pero al perder parte de sus longitudes de onda (por ser absorbidas), el color con el que sale reflejada ya no es “blanco”, sino que tendrá un color. Este es el color que nosotros vemos. En este sentido un objeto blanco lo refleja más o menos todo, y un objeto negro no refleja casi nada.

Bueno, sí, esto es muy bonito. pero seguro que queréis una prueba. Y todos tenéis una: el arco iris.

En el arco iris, cuando la luz blanca del sol atraviesa las gotitas de agua sufre un efecto llamado dispersión y la luz se separa en sus diferentes colores. Este efecto consiste en que el agua (y otros materiales) tienen distinto índice de refracción para cada color y por eso, aunque entran todos juntos, salen en diferentes direcciones. Podéis encontrar una explicación más detallada de la refracción en mi post Refracción de Ondas ¿y qué?.

¿Qué pinta tiene un espectro?

Hasta ahora sólo he dicho que la luz nos llega con sus colores mezclados y que pueden separarse. Lo que no he mencionado es que no nos llega la misma cantidad de luz de cada color. En realidad, de cada color nos llega una cantidad diferente. Por cierto, a “cantidad de luz” en física se le llama intensidad. Y sobre esto hablaré más detalladamente en otro artículo.

Entonces, si están mezclados y en diferentes cantidades… ¿que intensidad tiene cada color? Si nosotros cogemos la luz del Sol, separamos sus colores, y medimos la intensidad de cada color y lo hacemos con muchísimo detalle, tendremos algo así:

Cada línea va a continuación de la siguiente, pero por comodidad las han cortado y pegado después unos debajo de otros. Tenéis que pensar que lo que sale sería una única línea muuuy larga. Fuente: El tamiz

Vamos, un revoltijo enorme, donde unas partes son más brillantes y otras más oscuras, incluso alguna parte es negra. Por eso se suele representar así:

En las abscisas (eje horizontal) están las longitudes de onda, vamos los colores; mientras que las ordenadas (eje vertical) muestran la intensidad: Cuanto más alto más luz que nos llega de ese tipo.

Ahora sí se entiende de forma intuitiva. La cuestión ahora es ¿porqué tiene esa forma?

Eso, para el próximo artículo.

Esta serie de artículos está dedicada a mi amiga Luz, por haberme animado a que retomara el blog pese al parón.

No es cuestión de verlo más grande…

Es habitual entre la mayoría de la gente pensar que la función principal de un telescopio es ampliar los objetos para que podamos verlos mejor. Así, la idea es que un telescopio más grande, por narices tiene que ampliar más los objetos. Esto en realidad no es cierto.

Lo que prima en la mayoría de telescopios no es la capacidad de ampliar la imagen si no su abertura, ya que la función de este instrumento es captar luz.

¿Captar Luz? ¿Para qué?

El gran problema que tenemos al mirar al cielo es la limitación natural de nuestros ojos, que no son capaces de captar objetos de los que nos llega poca luz. Nuestros ojos, por debajo de cierta intensidad, sencillamente no detectan nada.

Un telescopio es un sistema óptico que, ya sea mediante lentes o mediante espejos, busca recoger toda la luz posible de un objeto y concentrarla en un área muy pequeña. De esa forma, cuando miramos por el telescopio podemos ver objetos que antes no veíamos pues el telescopio concentra en nuestro ojo la luz proveniente de un objeto en un gran área.

Puede que todo esto suene un poco raro, pero es fácil si pensáis en una lupa. Todos alguna vez hemos cogido una lupa y hemos probado a concentrar con ella la luz del Sol en un punto sobre un papel, para ver como este ardía.

Con la lupa ocurre lo mismo con el telescopio: captamos la luz correspondiente a todo el área de la lupa y la concentramos en un área muy pequeña.

Por eso es completamente imprescindible que un telescopio sea GRANDE, pues cuanto mayor sea su abertura, más luz conseguiremos captar y podremos ver objetos más débiles.

Pensad en las galaxias que veis en las fotografías, como esta (que hice yo* en prácticas de la universidad):

rgbreal

La mayoría de la gente cree que no las ve en el cielo, porque son muy pequeñas y por eso, si quisiera verlas, necesita un telescopio.

¡ERROR!

En realidad son enormes en el cielo. Gigantescas. Pero son tan tenues por estar tan lejos, que nuestros ojos no pueden captarlas. Mirad como veríais el cielo, si tuvierais unos ojos especiales que fueran capaces de captar objetos tan débiles:

galaxias-visibles

Imagen obtenida de TWAN proyect vía teleobjetivo.com

Y como veríais a la galaxia Andrómeda (la más cercana a la nuestra):

m31-y-luna

Imagen obtenida de Microsiervos.

Si no os lo creéis, pensad sencillamente en la Vía Láctea. Seguro que donde estéis no podéis verla a simple vista y sin embargo es una banda ancha que cruza el cielo… de un tamaño nada obviable.

* Bueno, la foto no la hice yo. Use una base de datos de galaxias para reconstruir la imagen en color a partir de las observaciones de intensidad originales. Pero ya que tenía por ahí la imagen, me hacía ilusión enseñarla.

Breve Curiosidad #11: El espectro electromagnético según Iker Jiménez

Este es el espectro electromagnético tal como lo entienden y lo explican en el “pograma” desinformativo de Iker Jiménez:

espectro

Para que luego alguien diga que es un “buen programa”. ¡Ja! Por favor, si no saben ni explicar algo que está en cualqueir libro de texto de bachillerato. O sin ir más lejos en la  Wikipedia. Si te informan así de algo tan absolutamente obvio y sencillo ¿cómo creeis que informan de esos “misterios ocultos” que tantos les gustan?

Aparentemente inútil

Muchas veces la gente se pregunta para qué investigar ciencia pura y dura, si al final, lo que interesa a la mayoría es la aplicación tecnológica que nos facilite la vida. Es cierto que suele existir en la mente de la gente una idea difusa sobre la relación ciencia-tecnología. Hoy quería hablar de algo que en su momento fue tratado como una curiosidad académica, sin demasiado interés: las ecuaciones de Maxwell. Más o menos como ocurre ahora. Ahora sin duda es debido a que tales ecuaciones no se estudian en la enseñanza obligatoria y por tanto, ni siquiera “le suena” a la mayoría de la gente.

Maxwell fue un físico y matemático escocés (1831-1879) que se propuso unificar matemáticamente todos los efectos conocidos de electricidad y magnetismo. Hasta ese momento se habían hecho descripciones de los efectos observados de la electricidad, el magnetismo y la relación entre ambos. Sin embargo no había una descripción teórica global que uniera un caso con los otros.

Pero vayamos al grano. Durante su estudio encontró que una de las ecuaciones con la que trabajaba, la Ley de Ampere era incompleta y la modificó para generalizar su funcionamiento. Curiosamente esa modificación fue el único material original que aportó a la descripción fenomenológica del electromagnetismo, pero sus consecuencias eran cruciales, puesto que predecía la existencia de ondas electromagnéticas que se movían a la velocidad de la Luz. Finalmente se explicó que la luz era una onda electromagnética, pero eso es otra historia.

Publicó sus resultados en 1865 pero, como ya dije antes, las ecuaciones fueron tratadas como algo importante teóricamente pero sin aplicaciones prácticas. Algunos años después de la muerte del propio Maxwell, en 1888, Hertz, un magnífico físico tanto teórico como experimental usó las ecuaciones de Maxwell para producir una onda electromagnética de Radio que consiguió transmitir una señal hasta la habitación de al lado. Habría que esperar hasta 1901 para que Marconi lograra realizar la primera emisión de radio transoceánica.

Sin Maxwell y sus ecuaciones, aparéntemente inútiles, olvidaos de la radio, la televisión y las telecomunicaciones modernas. Fijaos que tardaron 23 años en tener la primera aplicación tecnológica y muchos más hasta que fue una tecnología práctica.

Moraleja: no existe conocimiento científico no práctico, sólo conocimiento científico para el que aún no se nos ha ocurrido algo práctico. Pero para que se nos ocurra, debe haber gente como Hertz, capaz de entender la teoría y llevarlo a la práctica. Y para ello es esencial tanto la educación científica como la investigación fundamental que nos aporte nuevas ideas.