Cuando vamos más rápidos que la luz

Comunidad lectora de la física mal explicada, tengo que decirles que nos hemos encontrado de nuevo. Y, como siempre, en un post que pretende demostrar que la física no es simplemente sinónimo de ingeniería o matemáticas aplicadas, y que como tal podemos encontrarnos con fenómenos que si bien son totalmente ajenos a nuestra consciencia y cotidaneidad, hacen plena referencia a su nombre: Son fenomenales. Antes de empezar con el asunto, tengo que dejar bien en claro una cosa: El título del post está bien escrito.

El día de hoy exploraremos un fenómeno ampliamente utilizado en la física de partículas, una rama de la física que bien podría resultarte una vieja conocida y también en la física subyacente a los reactores nucleares. Pero, obviamente, antes de iniciar con alguna explicación debo dejar en claro un par de cosas:






Dicho todo esto, ya estamos listos para comenzar con lo nuestro. Hoy les voy a hablar del fundamento del Premio Nobel de Física de 1958, el cual fue otorgado al físico soviético Pavel Alekseevič Čerenkov (que a veces se escribe Cherenkov, Cherenkhov o incluso Cerenkhov). En 1934, éste sujeto se encontraba realizando experimentos relacionados con la radiación. En un momento, se encontró con un fenómeno curioso: cuando se bombardeaba una botella llena de agua con radiación alfa o beta muy energética (son partículas cargadas: núcleos de helio o electrones, respectivamente, que se mueven muy rápido), la botella brillaba con una luz azulada.

Este efecto tan curioso se conoce como efecto de Cherenkov, auqnue suele denominarse distinto. Como bien sabemos, ese brillo no es más que radiación, por lo cual se la denomina comunmente como radiación de Cherenkov. Pero ahora bien, vayamos al grano. ¿Qué es la radiación de Cherenkov? Para explicarlo, es necesario hablar de otros fenómenos que en realidad nada tienen que ver con éste, pero que si ayudarán a comprenderlo en una manera mucho más sencilla.




¿Y cuales son esos temas? Aunque no lo creas, todo eso relacionado con lo que popularmente se denomina velocidad del sonido, estampido sónico, barrera del sonido, ondas de choque y un larguísimo etcétera. Pero antes de empezar a hablar de todo eso, haremos otra parada.

Una de las cosas que se nos vienen a la cabeza a los argentinos ( y también a sudamericanos con los que compartimos tal actividad) cada vez que pensamos en "tradiciones" es el mate. Yo creo que todos conocen la mecánica del aparato para tomar mate en sí, pero no estoy tan seguro de que conozcan como podemos beber el líquido a través de una bombilla. Justamente es eso lo que deseo explicar:

Como verán, aquí actúa nada más y nada menos que una sola cosa: La presión. Quien está bebiendo, "hace fuerza" para que el agua suba por la bombilla. Esa "fuerza" que se hace tiene un efecto curioso: Crea un "semi-vacío". En otras palabras, "saca todo el aire" del extremo de la bombilla. Al no haber aire, por definición no hay presión ahí. Y claro, en el recipiente donde se aloja el líquido todavía hay aire. Luego, allí hay presión. Y dicho mal y pronto, esa diferencia de presión es lo que crea el movimiento. Y claro, eso también pasa por ejemplo cuando nadamos: Con los brazos desplazamos agua, creando un espacio justo delante nuestro donde hay menos agua, lo que hace movernos. Luego, el agua que desalojamos va a parar justo detrás nuestro por el mismo efecto.

Bien, ¿y qué tiene que ver la presión en todo esto? Sólo en una cosa: En la formación de ondas de presión. ¿Y qué es eso? Te invito a mirar la siguiente imagen:



Imaginate que esa cuadrícula es un objeto al que le pegás con el puño. Cuando vos pegás, lo que estás haciendo es bien simple: Estás haciendo vibrar los átomos que forman ese objeto. Pero, claro, esa vibración no puede aparecer en todos los lugares a la vez, sino que aparece en un lugar y se transmite. Esa transmición se hace en forma de onda. Ondas de presión para ser exactos. La onda de presión sería, entonces, una oscilación causada por las diferencias de presión.

¿Y que tienen de importante esas ondas de presión? Imaginemos ahora otra situación. Esta vez, vamos a analizar el vuelo de un avión. Dicho mal y pronto, lo que sucede es lo siguiente: Cuando el avión se mueve en el aire, ésta aparta el aire que hay delante de él, moviéndose hacia delante, y el aire desalojado “rellena” el espacio que el avión deja por detrás. Vamos, lo mismo que cuando nadamos. Lo importante es lo que viene ahora: La presión justo delante del objeto aumenta un poquito, y disminuye un poco por detrás. Se genera por lo tanto una pequeña onda de presión: el aire aumenta de presión y luego disminuye según pasa el objeto. Si pudieras observar una molécula del aire según pasa el objeto, realizaría una especie de movimiento de vaivén: se apartaría hacia un lado y luego volvería más o menos a su posición inicial.

Ahora solamente falta aumentar la velocidad del avión hasta que consigamos que rompa la barrera del sonido, produciendo un estampido sónico. Pero, ah, antes de explicarte eso tenés que saber otra cosa. Estoy seguro que alguna vez escuchaste hablar de las velocidades "Mach 4", "Mach 1", "Mach 2,03" y varias más, que generalmente se usan para hablar de la velocidad que tiene un avión. El físico que contribuyó con ese estilo de medición, Mach , también contribuyó en muchas otras ramas de la física. Pero sin dudas lo que hoy más nos interesa es su legado sobre el comportamiento de los objetos en relación al sonido. Mira las siguientes imágenes:



Imagina que el punto rojo es un objeto cualquiera. Supongamos además que es lo único que existe en el universo. Como sabemos, ese bojeto está formado por átomos, los cuales "vibran" en una frecuencia determinada. Los círculos concéntricos a ese objeto rojo son nada más y nada menos que las ondas de sonido que emiten esos átomos en su vibración. Hay que aclarar, también, que la onda se emite en intervalos periódicos y regulares (Por ejemplo: Cada segundo se emite una onda diferente) y también debo recordarte recordarte que esas ondas viajan a la velocidad del sonido (1224 km/h aproximadamente). Veamos qué es lo que sucede cuando el objeto se mueve:



Ésto es lo que sucede cuando el objeto se mueve a una velocidad inferior a la velocidad del sonido. Los círculos dejan de ser concéntricos, es decir, las ondas no interfieren unas con otras. Si sabés algo sobre el efecto Doppler, podés mirar la imagen y caer en cuenta que ese efecto no es cualquier cosa. Veamos qué es lo que pasa cuando el objeto se mueve más rápido:



Ésta imagen simboliza el comportamiento de las ondas cuando el objeto se mueve a la velocidad del sonido. Acá empezamos a ver cosas interesantes. En primer lugar, es importante observar cómo los círculos ahora son tangentes, es decir, Las ondas se alcanzan pero no interfieren entre sí. Se dice que son tangentes porque es posible dibujar una línea recta que pase por el punto donde todos los círculos se tocan. Esa línea, que es la que estás viendo en la imagen, es lo que se conoce como barrera del sonido. Veamos qué es lo que sucede cuando el objeto se mueve aún más rápido:



Hay dos cosas importantes para decir ahora. En primer lugar: ¡Mirá los círculos! Ahora el objeto avanza a mayor velocidad que las ondas, y eso significa una sola cosa: Las ondas "se tocan" e interfieren unas con otras. ¿Y qué significa esa interferencia? Una imagen vale más que mil palabras:



Pero tampoco son sólo dos ondas: Son, técnicamente, infinitas. Imaginate cómo será la onda después de tantas interferencias... Esa onda con una "super-cresta" producida por las ondas de presión e slo que conocemos como onda de choque. Ahora bien, la segunda cosa que hay para decir, es sobre la barrera del sonido. Ahora está "rota". No "rota" como sinónimo de "destrozada", sino "rota" como sinónimo de "quebrada" o "torcida". De hecho, la forma que adquiere explica porqué lo que te acabo de explicar se denomina cono de Mach. Ahora bien, ¿y dónde está ese cono en las aviones? Acá:





Es por eso que decimos que cuando algo rompe la barrera del sonido no sólo lo escuchamos, sino que también lo vemos. Y así llegamos a la obvia conclusión: Si te movés más rápido que el sonido en un determinado medio, generas una onda de choque en el medio porque las ondas de presión que vas generando en tu movimiento no tienen tiempo de alejarse unas de otras antes de interferir constructivamente. Imaginá decir eso delante de alguien fascinado por un avión rompiendo la barrera de sonido... Esas son las cosas que motivan a uno a saber de física

Ahora bien, te hago una pregunta. ¿Qué pasaría si a la conclusión del párrafo anterior le cambiamos la palabra "sonido" por "luz"? ¿Qué sucede si te mueves más rápido que la luz en un determinado medio, de modo que las “ondas luminosas” que creas a tu paso (si pudieras crearlas) no tengan tiempo de alejarse antes de interferir constructivamente?

La respuesta, querido y paciente lector, es naturalmente que se produce una “onda de choque luminosa” (sí, el término “onda de choque” no es realmente aplicable en este caso, pero bueno). El medio que te rodea no produce un fuerte estampido, sino una onda electromagnética: Eso es la radiación de Cherenkov.

Ya sé lo que estás pensando: -"¡¿Pero cómo va a ser posible moverse más rápido que la luz?!". Veamos, estoy seguro que tus profesores, tus libros de texto, tus compañeros, tus padres, el noticiero (?) y varios más concuerdan en algo: La velocidad de la luz es de 300.000 km/s y nada es más rápido que ella. Lo que sucede es otra cosa: La velocidad de la luz en el vacío es de 300.000 km/s, y nada puede ir más rápido que esa velocidad. Como verás, la velocidad de la propagación de una onda se define por el medio endónde se propaga. Así, la velocidad del sonido no es lo mismo en el aire, que en el agua, en el acero o en la madera y lo mismo pasa con la luz. En el agua, por ejemplo, la velocidad de la luz es de 225.000 km/s. Si en el LCH las partículas alcanzan el 99% de la velocidad de la luz en el vacío, ¿de verdad creés que no van a poder superar la velocidad de la luz en el agua?




Aunque claro que el fenómeno no es exactamente igual que el estampido sónico. Quiero decir, son fenómenos analogos, mas no iguales. El proceso, en este caso, es el siguiente: cuando un electrón, o cualquier otra partícula cargada, se mueve por el interior de un medio, modifica el campo eléctrico a su alrededor. Es deicr, según pasa el electrón, los demás electrones se ven repelidos por por el campo magnético de ese electrón. Pero ahí no acaba la cosa. Los electrones se alejan de él, pero cuando ha pasado, vuelven a su posición inicial, pues ya no hay campo magnético que los repela.

En otras palabras: Según pasa el electrón, se crea un movimiento de vaivén en los electrones circundantes. Ésto es análogo al movimiento de vaivén de las moléculas del aire cuando hay ondas de presión, ¿te das cuenta?

Ahora bien, ¿dónde están las "ondas lumínicas" que se superponen? Sabemos que cualquier carga acelerada emite radiación electromagnética: este movimiento de ir y venir de los electrones al paso de una partícula cargada genera una serie de ondas electromagnéticas al paso del electrón. Esto es lo que dije más arriba: es algo parecido a las ondas de presión generadas cuando un cuerpo se mueve en el aire y las moléculas se apartan y luego vuelven.

Ahora claro, bajo velocidades inferiores a las de la luz, esas "ondas lumínicas" esas ondas directamente no interfieren entre sí. No pueden "acoplarse" una a la otra para producir el efecto a esas velocidades (recuerda la explicación de los círculos concéntricos y la velocidad de propagación de la onda de más arriba). Ah, pero ¿qué sucede si el electrón va más rápido que la luz en el agua? Entonces pasa lo de más arriba:



Y así todas las veces que son emitidas las ondas... Osea, prácticamente infinitas veces. llegamos a la conclusión obvia: En éstas circunstancias en donde la velocidad es muy alta (más que la luz en ese medio, concretamente) y según el paso del electrón, el agua emite una onda electromagnética perfectamente detectable desde fuera, el equivalente del estampido sónico… pero de radiación. La radiación de Čerenkov.

Claro que la cosa no es tan simple. En primer lugar, no se mueve sólo un electrón. Se mueven muchísimos de ellos. Y en segundo lugar, la radiación es detectable pero generalmente no es visible, pues la mayor parte de la radiación es emitida en rangos ultravioleta y superior. Pero claro, cuando el efecto es fortísimo, ahí si lo vemos: Podemos ver esa radiación azulada que detectó Cherenkov hace tanto tiempo.




Ahora bien, otro par de aclaraciones. En primer lugar, la radiación de Cherenkov sólo se produce en un medio dieléctrico, esto es, debe estar formado por átomos o moléculas capaces de verse afectados por un campo eléctrico. Por ejemplo, si el medio está formado por neutrones nunca vamos a ver el efecto. En segundo lugar, el medio debe ser aislante. En un medio conductor, los electrones deambulan libremente, casi sin órbitas. En éstas circunstancias es casi imposible que otro electrón pueda generar el violento movimiento de vaivén del que hablamos más arriba.

Por último, y para concluir con nuestro estudio sobre tal fenómeno, el efecto Čerenkov tiene multitud de usos. Se emplea, por ejemplo, para estimar el ritmo de la fisión en reactores nucleares: a mayor número de núcleos fisionados por segundo, mayor cantidad de partículas emitidas y mayor intensidad en la radiación de Čerenkov. Eso significa que si aquello empieza a brillar más de la cuenta, ¡a correr!

También es aplicable en observaciones de astrofísica: cuando la atmósfera recibe, por ejemplo, radiación gamma procedente del espacio, se producen verdaderas cascadas de partículas inestables muy energéticas. Muchas de estas partículas están cargadas y se mueven rapidísimo: a velocidades de hasta el 99,997% de la de la luz en el vacío. Tan rápido que producen radiación de Čerenkov. Es posible, por lo tanto, analizar las características de esta radiación para conocer qué partículas se produjeron. Éste fue el principal método de descubrimiento de partículas del Modelo Estándar.

Pero la cosa no acaba ahí: es posible utilizar la radiación de Čerenkov para detectar e identificar partículas subatómicas en los aceleradores de partículas, e incluso medir su velocidad dependiendo del ángulo que forma la radiación emitida con la trayectoria de la partícula. De hecho, el LHC tiene detectores de éste tipo.




Estimados y pacientes lectores, el post debe concluir aquí. Si todo esto salió bien, ustedes deben salir del post sabiendo no sólo cómo se produce la radiación de Cherenkov, sino también cómo y porqué se rompe la barrera del sonido; algo que, para ser una analogía, es demasiado provechoso. En fin, me despido de ustedes con un ¡Hasta la próxima!, y con una invitación a formar parte de las comunidades más científicas de todo Taringa! en los siguientes numerillos: , , , , , ,

Nota: Fuente que no puede ser agregada por algún motivo aquí