La naturaleza de la luz (1)

En la historia de la ciencia existe una situación recurrente y es esta:
Hay un fenómeno que no se puede explicar. Un montón de tipos proponen teorías a fin de poder comprender tal fenómeno. En el caso en que las teorías se correlacionen con la experiencia, estas serán bien vistas. Caso contrario se modifica la teoría, y si aún así la experiencia no verifica lo propuesto… suerte master, no servís para esto.
A lo largo de la historia, la luz fue un fenómeno cuya explicación le quitó el sueño a más de uno. Si nos remontamos a fines del siglo XVII, teníamos a Isaac Newton que estaba convencido de que la luz era un chorro de partículas. Como al inglesito en cuestión le había ido bien con la teoría de la gravedad supongo que nadie se animaba a contradecirlo. Sin embargo, había otro muchacho que se llamaba Christian Huygens que estaba convencido de que la luz era una onda. Cómo se le pudo ocurrir semejante barbaridad.
La teoría corpuscular de Newton es simple, pelotitas de luz. Lo de Huygens es más loco. Una onda es una perturbación periódica que se propaga a través de un medio. Ejemplo fácil y usual: tiro una piedra en una pileta y veo como se forman olitas. La perturbación que yo creé tirando la piedra, se propaga a lo largo de la superficie del agua.
No fue hasta principios del siglo XVIII que Thomas Young, otro inglés, pudo confirmar lo que decía Huygens. Efectivamente, la luz se comportaba como una onda. Cómo hizo? Ah… muy interesante. El tipo armó el siguiente esquema experimental:

La velita de la izquierda genera luz. La primera pared tiene una abertura cuya función es simular una fuente de luz más “ordenada” que la vela original que emite en forma más desprolija. Una vez que la luz llega a la segunda pared, las dos rendijas que hay sobre ella simulan dos fuentes de luz iguales. Por último, pongo una pantalla donde yo pueda ver cómo se distribuye la luz que llega. Sería de esperar que toda la pantalla apareciera igualmente iluminada, verdad? Contrariamente a esto, la pantalla se mostró iluminada de la siguiente forma:
Curioso. Vamos a ver qué es lo que ocurrió. Para ser un poco más gráfico retomemos el ejemplo de la pileta. Tiro una piedra y se producen olas. Con estas todavía oscilando en la superficie del agua, tiro otra piedra. Las ondulaciones producidas por ambas piedras se van a superponer. Pensemos en un lugar donde una ola producida por la primera piedra está en su pico más alto. Qué pasaría si justo en ese lugar y en ese momento una ola de la segunda piedra también estuviera en su pico más alto? Y… habría una sola ola más grande. Bueno… sí, es lo que pasa. Y si la segunda ola estuviera en su pico más bajo? Y… se anularían las olas. De nuevo… sí, es lo que pasa. Es decir, las olas de ambas piedras están produciendo interferencia, positiva en el primer caso (ola más grande), negativa en el segundo (se cancelan las olas).
Traslademos esto al experimento de Young. Si la luz fuera un chorro de pelotitas, la pantalla se vería iluminada uniformemente, o sea, lo que hubiéramos esperado intuitivamente y no ocurrió. Al ser un fenómeno ondulatorio, la luz proveniente de una rendija va a producir interferencia con la proveniente de la otra rendija. En los lugares donde la interferencia es positiva terminamos viendo franjas de luz más intensas y en los lugares donde la interferencia es negativa vemos franjas oscuras, o sea, sin luz.
Conclusión: la luz es un fenómeno ondulatorio.
Todos los fenómenos ondulatorios conocidos hasta la época de Young necesitaban un medio para propagarse. Las olas a través del agua, el sonido a través del aire, etc. Y la luz? Estamos en un brete…
De eso nos ocuparemos la semana que viene.

Para Agus que se ofendió con la foto de su hermana:

Chicas, Alex en su mejor forma:

Cómo calienta un microondas?

La pregunta parece trivial. Sin embargo me veo en la necesidad de abordar distintos temas antes de hacer una explicación decente de este fenómeno. Dividiremos el artículo en dos partes, una relativa a la temperatura y otra a las microondas.

Para contestar la pregunta de por qué un microondas calienta la comida primero deberíamos definir qué significa calentar. No en el sentido en que se calienta uno con las hermanas del personaje conocido como Agustín, asiduo lector de este blog, sino en un sentido más formal.

Parte 1)

La temperatura es una medida macroscópica de la energía cinética de las moléculas que componen a la sustancia en cuestión. What? Vamos de a poco, sabemos que la materia está compuesta por átomos de distintos elementos que a la vez se juntan de diversas formas para formar moléculas más complejas que todas juntas forman algo que es objeto de mi estudio. Este puede ser un sólido, un líquido o un gas. El plasma, que es el restante estado en el que podemos encontrar a la materia, no nos interesa.

Supongamos que tenemos un gas y lo metemos en un recipiente cerrado. El gas comenzará a moverse aleatoriamente hasta que por fin alcance lo que se llama equilibrio termodinámico. Esto es, si bien las partículas se siguen moviendo dentro del recipiente, ciertas variables macroscópicas, como la temperatura, el volumen y la presión, se mantienen constantes. Es como tener una caja negra que me deja ver sólo estos tres valores independientemente de lo que pase adentro. No puedo saber con exactitud cómo se está moviendo cada partícula por separado, pero puedo hacer un promedio de la energía cinética total (qué tan rápido se mueven todas como un conjunto). Este promedio es lo que usualmente conocemos como temperatura.

Resumido: tengo un gas, lo encierro en un recipiente. Como en física las cosas siempre buscan tener la menor energía posible, las partículas se mueven buscando esa situación que llamamos equilibrio termodinámico. Esto no significa que las partículas estén quietas, sino que ciertas propiedades macroscópicas (propiedades a gran escala, sin mirar qué pasa adentro) quedan estables. Una de esas propiedades macroscópicas es la temperatura y mide un promedio de la energía cinética o, más fácil, cuánta agitación tienen las partículas del gas.

En un sólido las moléculas se ubican de una forma más ordenada. Se encuentran fijas en lo que llamamos una red cristalina. Sin embargo desde su posición fija pueden vibrar cuando se calienta al material. Como no podemos mirar qué pasa a nivel microscópico con cada molécula dentro de la red, sólo nos queda ver, de nuevo, a nivel macroscópico cuánta agitación tienen esas moléculas y bueh… tenemos la temperatura de nuevo.

En un líquido la situación es análoga.

Ahora el tema sería ver de qué forma se logra agitar más a las moléculas de un cierto material. Puntualmente nos importa ver de qué forma un microondas agita las moléculas de comida.

Resulta que la comida tiene un porcentaje muy alto de agua. Y bueno, digamos que el tipo que inventó el microondas supo aprovechar esta situación. Cómo? A eso vamos.

Parte 2)

Un conjunto de tipos entre los siglos XVIII y XIX se pusieron las pilas e hicieron una serie de estudios que un inglés llamado Maxwell supo juntar en cuatro ecuaciones que explican todos los fenómenos electromagnéticos clásicos. Uno de los puntos más fuertes de todo este análisis dice que la electricidad genera magnetismo y viceversa. Entonces cuando tengo un campo eléctrico necesariamente tengo un campo magnético y no sólo eso, además, el conjunto de los dos, campo electromagnético, se propaga en forma de onda a la velocidad de la luz. Relea esta parte porque es importante.

Para ver un poco que es una onda imaginemos una pileta donde tiro una piedra. Se va a producir una ola, que no es más que una perturbación periódica que se propaga a través del agua. A la cantidad de veces que oscila el agua cada un segundo se lo llama frecuencia y se mide en Hertz. En el caso del campo electromagnético la perturbación que se propaga a través del espacio es justamente un campo eléctrico y un campo magnético que cambian periódicamente y por lo tanto también tienen asociada una frecuencia que dice cuántas veces cambian en un segundo. Podemos dividir a las ondas electromagnéticas de acuerdo a su frecuencia. Las microondas ocupan el rango entre 1GHz y 300GHz (G es giga) o sea, una microonda oscila entre mil millones de veces por segundo y 300 mil millones de veces por segundo.

Resumido: Una microonda es el conjunto de un campo eléctrico y un campo magnético que se propagan juntos a través del espacio en forma de onda, o sea con cierta periodicidad, y esa periodicidad se mide con su frecuencia que va entre 1GHz y 300GHz.

En un horno microondas, las ondas que se utilizan son de 2.5GHz más o menos.

Unos párrafos arriba se dijo que la comida tiene un alto porcentaje de agua. Como es de común saber, la fórmula molecular del agua es H₂O, que significa que está compuesta por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Lo interesante es que estos tres átomos, cuando se unen, se disponen de forma tal que la molécula de agua termina siendo polar, es decir, sensible a la electricidad.

Ok. Ahora se cae de maduro. Tengo muchas moléculas de agua que son sensibles a la electricidad y las someto a un campo electromagnético de frecuencia 2.5GHz, o sea, hago vibrar a las moléculas de agua 2.500 millones de veces por segundo. Y habíamos dicho que la temperatura no era más que un promedio de la vibración de las moléculas que componen a la sustancia. Ahí está, a mayor vibración de las moléculas de agua mayor temperatura y todos contentos.

Igual son una cagada los microondas, prefiero un horno eléctrico.