más rápido que la luz - cienciorama.unam.mx
TRANSCRIPT
Más rápido que la luz / CIENCIORAMA 1
Más rápido que la luz...
Carlos Velázquez
La física nos dice que la máxima velocidad que cualquier ente físico puede
alcanzar es la de la luz. Sin embargo bajo determinadas circunstancias las
partículas pueden viajar aún más rápido que la luz, lo cual da pie a uno de
los fenómenos más curiosos de la radioactividad: la radiación de Cherenkov.
Palabras clave: partículas radioactivas, velocidad de la luz, radiación de
Cherenkov.
Las letras pequeñas de la relatividad
Desde hace más de un siglo Einstein demostró que la máxima velocidad que
se puede alcanzar en nuestro universo es la de la luz. Éste es un principio
básico de la teoría de la relatividad. Pero como en cualquier ámbito de la
vida, en la física también tenemos que fijarnos en las letras pequeñas. Para
ser más precisos lo que Einstein dijo es que "la velocidad máxima a la que
Más rápido que la luz / CIENCIORAMA 2
puede viajar una partícula –o la energía– dentro del universo es la velocidad
de la luz en el vacío". La última parte del enunciado es clave porque quiere
decir que la luz sólo alcanza su máxima velocidad cuando se desplaza sin
ningún impedimento, o sea en el vacío, y esta velocidad es de 299,792.458
km/segundo, que se suele redondear como 300,000 km/segundo.
Figura 1. Distintas velocidades de desplazamiento de la luz en distintos medios. Ilustración
del autor.
Esto quiere decir que cuando la luz ingresa a un medio como el agua, el
aire o un cristal, se reduce su velocidad. Por ejemplo, cuando la luz viaja
dentro de agua destilada tiene una velocidad de unos 224,844 km/segundo,
que es sólo un 75% de su velocidad máxima (figura 1).
¿A qué se debe que la luz disminuya su velocidad cuando ingresa a un
material? La idea principal es que mientras viaja por el material, la energía
que transporta interactúa con él, ocasionando que las moléculas y los
átomos del material se pongan a oscilar. Después de una fracción ínfima de
tiempo las moléculas del material vuelven a emitir la energía que capturaron
de la luz y ésta puede seguir su camino. Esta explicación es por supuesto
una simplificación, ya que en realidad ocurren muchas cosas más y una
Más rápido que la luz / CIENCIORAMA 3
parte de la luz que ingresa en el medio es absorbida permanentemente por
el material, que la usa para aumentar su temperatura. Esto nos explica
también por qué los materiales transparentes se calientan menos que los
oscuros: los transparentes dejan pasar mucha de la energía de la luz y los
oscuros absorben la mayor parte de su energía.
Lo importante de todo esto es que la luz cuando ingresa en un medio
transparente es más lenta que cuando viaja en el vacío ¡Como ves hay que
tener mucho cuidado para interpretar las leyes físicas! Estas leyes son como
cualquier otra ley e igual que en un contrato están plagadas de pequeñas
cláusulas que pueden cambiarlo todo.
La asombrosa radioactividad
La interacción de la luz con la materia es la mitad de esta historia, la otra
mitad se encuentra dentro de otro fenómeno fundamental de la física, la
radioactividad, por ello vamos a revisar de cerca algunas de sus propiedades
(ver en Cienciorama “El proyecto Manhattan y la reacción en cadena”). La
radioactividad es un fenómeno sobre el que se discute mucho pero se
entiende poco, y que solemos ver representado en las caricaturas como
barras que emiten una potente luz verde, o como materiales prodigiosos que
pueden darle poderes a los superhéroes. Pero la radioactividad es un
fenómeno muy bien determinado desde un punto de vista físico, y aunque
sí tiene que ver con luminosidades misteriosas, éstas son un efecto
secundario. En pocas palabras la radioactividad consiste en el
desprendimiento de partículas sobrantes de los núcleos atómicos que son
expulsadas con energías increíbles que golpean todo lo que encuentran a
su paso. Esta expulsión violenta es lo que llamamos radiación.
Más rápido que la luz / CIENCIORAMA 4
Figura 2. Tipos principales de radiación. Ilustración del autor.
Existen tres tipos principales de radiación nuclear: alfa, beta y gamma. La
radiación alfa ocurre cuando un núcleo inestable expulsa cuatro partículas
pegadas: dos protones y dos neutrones que desde un punto de vista
radioactivo son muy pesadas y se conocen como partículas alfa (figura 2).
En el caso de la radiación beta el núcleo expulsa sólo un ligero electrón, o
partícula beta, que sale disparado a velocidades increíblemente rápidas
(puedes ver más sobre esto en “La tabla periódica de los núcleos” en
Cienciorama).
La diferencia de masa entre las partículas alfa y beta es muy grande, ya
que una partícula alfa tiene unas 8,000 veces más masa que un electrón.
Esta diferencia es la misma que hay entre una bola de billar, que tiene
aproximadamente 155 gramos, y un carro promedio con tres personas a
bordo, con unos 1,240 kg de masa.
La radiación gamma es radiación electromagnética como la que emite el
Sol. Esta radiación es muy energética e interactúa preferentemente con los
núcleos de los átomos; es tan potente que es capaz de desprender pedazos
de otros núcleos o ponerlos a moverse frenéticamente.
Como ves la radiación también tiene muchos recovecos que vale la pena
analizar, y aunque sabemos que ninguna partícula puede rebasar la velocidad
de la luz en el vacío, podemos hacernos una pregunta interesante: si
Más rápido que la luz / CIENCIORAMA 5
sabemos que es posible que la luz viaje mucho menos rápido que su
velocidad máxima y que algunas partículas expulsadas por los núcleos
radioactivos se mueven extremadamente rápido, ¿qué pasaría si una de estas
partículas rebasara a la luz cuando ésta se encuentra viajando dentro de
un medio material? Antes de dar la respuesta, revisemos un poco una historia
paralela a nuestra pregunta.
El alumno a oscuras
La pregunta anterior puede parecer descabellada pero es más común de lo
que creemos. En las centrales nucleares los materiales radiactivos suelen
estar inmersos en líquidos y emitir electrones que viajan más rápido que la
luz dentro del líquido circundante. El efecto que observamos cuando esto
ocurre es para quedarse con los ojos cuadrados: el agua se ilumina con la
fuente radiactiva.
Desde finales del siglo XIX se sabía que la radiación podía producir vistosos
fenómenos luminosos, e incluso la pálida luz que "salía" de los materiales
radiactivos fue descrita por Marie Curie, la extraordinaria científica única
capaz de ganar dos premios Nobel en dos áreas distintas de la ciencia: la
física y la química (ver en Cienciorama “Hacia la regla de oro: Química y
radiación”). Aunque ella tomó nota de las pálidas luces, la explicación de
este fenómeno tuvo que esperar hasta que los científicos de un país naciente,
la Unión Soviética, se tomaran muy en serio las investigaciones sobre la
física del núcleo atómico.
Después de su caótica revolución y de la instauración de su radical propuesta
política, la Unión Soviética comenzó a construir su reputación como uno de
los grandes centros de desarrollo científico en el mundo. Hacia la década
de 1930 ya estaban establecidas las bases sobre las que se erigiría la
ciencia soviética, y muchos pioneros empezaron a explorar nuevas áreas de
todas las disciplinas. Entre éstos se encontraba Sergei Ivanovich Vavilov, uno
de los que conduciría a la física de la URSS a su auge. A pesar de que su
formación estaba enfocada fundamentalmente en la óptica, supo reconocer
Más rápido que la luz / CIENCIORAMA 6
que el futuro de la física se encontraba en el núcleo atómico. Cuando en
1936 uno de sus alumnos, Pavel Alekseievich Cherenkov, acudió a él en
busca de un tema para lograr su grado doctoral, Vavilov le propuso estudiar
las luces que surgían de los líquidos que estaban expuestos a la potente
influencia de los materiales radiactivos –la apariencia de esta luminosidad
es igual a la de la figura inicial de este artículo, que corresponde a las
barras radioactivas inmersas en agua de un reactor nuclear.
Figura 3. Representación esquemática del dispositivo utilizado por Cherenkov. Ilustración
del autor.
Como en ese tiempo no existían aparatos que pudieran medir la débil
luminosidad radioactiva, Cherenkov tuvo que utilizar sus ojos (figura 3). Para
ello tenía que mantenerse un par de horas en la oscuridad antes de empezar
a hacer mediciones. Cherenkov de hecho se quejó con las autoridades
Más rápido que la luz / CIENCIORAMA 7
universitarias por este método tan raro de hacer las cosas, pero al final
tuvo que resignarse.
Tanto Vavilov como Cherenkov pensaban que estaban estudiando una
variante del fenómeno de fluorescencia, lo cual quiere decir que una
molécula o un átomo capturan la energía proveniente del exterior y después
de un tiempo vuelven a emitir esta energía convertida en algún tipo de luz.
Pero tras algunas observaciones Cherenkov se dio cuenta de que se
encontraba ante algo completamente nuevo. Sabía que cuando las sustancias
fluorescentes se calientan dejan de emitir su característica luz y también
existen sustancias que al agregarlas inhiben la fluorescencia de una muestra,
y nada de esto pasaba con los líquidos de Cherenkov. Sus investigaciones
y sus resultados se propagaron de inmediato por los laboratorios y las aulas
de su instituto, y en 1937 un par de físicos soviéticos, Frank y Tamm,
crearon una nueva y audaz teoría: cuando las partículas radiactivas viajaban
dentro del medio, ponían a oscilar a las partículas cargadas de los átomos
y moléculas, lo cual creaba emisiones electromagnéticas, pero éstas sólo se
sumaban para formar un haz de luz visible cuando la partícula radioactiva
rebasaba la velocidad de la luz en el medio, creando una onda de choque
luminosa.
En un primer momento la mayor parte de los físicos no tomaron en serio
esta propuesta, y los más cautos la pusieron como una lejana posibilidad,
mientras que otros simplemente se mofaron de ella y aseguraron que la
respuesta tenía que estar en otra parte. Sin embargo en la física caben
opiniones hasta donde los experimentos lo permiten, y con el paso de los
años la comunidad científica se percató de que las observaciones de
Cherenkov y la explicación de Frank y Tamm coincidían de manera absoluta
con los resultados de laboratorio, y a la larga los científicos soviéticos
demostraron que tenían la razón. Cherenkov, Frank y Tamm recibieron el
Nobel de física de 1958.
Ondas de choque por doquier
Más rápido que la luz / CIENCIORAMA 8
¿Cuál era la objeción de los físicos respecto a la teoría de Frank y Tamm?
Más que nada les parecía extraño que hubiera algo que se moviera más
rápido que la luz, pero como hemos dicho al principio, no hay ningún
problema porque dentro de un medio material la luz se mueve más lento
que su valor máximo.
Si aceptamos esto, la explicación de Frank se vuelve muy sencilla: la partícula
actúa como lo haría un avión supersónico. Como sabemos, en la atmósfera
existen ondas sonoras que se desplazan a una velocidad relativamente lenta,
320 metros/segundo, de modo que existen aviones que pueden con facilidad
superar esta velocidad y que se les llama supersónicos por esta razón.
Cuando esto pasa los aviones van rebasando el sonido que crean, y cuando
vemos cómo se superponen todas las ondas sonoras que han generado, lo
que observamos es un cono que tiene su vértice exactamente dónde está
nuestro avión (figura 4). Podemos encontrar otro ejemplo mucho más sencillo
si pensamos en la superficie quieta de una tina de agua en la que
desplazamos nuestro dedo rápidamente: veremos cómo se forma un cono o
un triángulo, para ser más exactos, cuyo vértice está en nuestro dedo. Estos
son dos ejemplos de ondas de choque.
Figura 4. Formación del cono de choque en un avión que supera la velocidad del sonido.
Más rápido que la luz / CIENCIORAMA 9
Con las partículas radiactivas ocurre lo mismo: cuando se desplazan por el
medio e interactúan con las moléculas y los átomos que lo componen crean
ondas de luz, pero si la partícula es muy lenta estas ondas interfieren entre
ellas, el resultado es que no vemos nada. Sin embargo cuando la partícula
se mueve mucho más rápido que la velocidad de la luz dentro del medio,
entonces las ondas que producen las moléculas del medio (obligadas, a final
de cuentas por la partícula radiactiva) se superponen constructivamente, y
por ello podemos percibir toda esta luz ingresando a nuestros ojos ¡las
ondas de choque están por todos lados! (figura 5).
Figura 5. Apariencia del cono de choque. Debido al aumento de la presión en la zona de
choque, la humedad del ambiente se condensa creando gotas en la superficie del cono.
Imagen de: http://www.fullaventura.com/notas/thumbs/460_16_.jpg
La importancia de la radiación de Cherenkov
La radiación de Cherenkov se convirtió rápidamente en un tópico de gran
relevancia. El hecho de que las partículas radiactivas puedan producir estelas
de luz convirtió este efecto en una forma perfecta para detectar la radiación
emitida por algunas fuentes radiactivas. El efecto Cherenkov fue utilizado
para crear detectores de radiación.
Más rápido que la luz / CIENCIORAMA 10
Los detectores Cherenkov convierten parte de la energía de la radiación en
señales luminosas, las cuales son fáciles de detectar y nos aportan mucha
información, y por ello hoy en día son una herramienta básica de todo el
arsenal de la física atómica y de la física de altas energías.
Figura 6. Generación del cono de choque luminoso por las partículas que viajan más
rápido que la luz. Los puntos en rosa señalan las posiciones de la partícula en distintos
momentos. Imagen de:
http://large.stanford.edu/courses/2014/ph241/alaeian2/images/f2big.png
Los aportes del efecto Cherenkov no terminan ahí. Algunas de las partículas
interestelares que viajan libremente por nuestra galaxia ingresan en nuestra
atmósfera como si se tratara de meteoritos de una sola partícula, y como
algunas viajan más rápido que la luz dentro del aire, crean lo que llamamos
"duchas de Cherenkov", las cuales podemos observar con los instrumentos
adecuados y nos dicen mucho sobre la lluvia de partículas a la cual está
sometido nuestro planeta (figura 7).
Uno de los proyectos más ambiciosos que hacen uso del efecto Cherenkov
se lleva a cabo en nuestra casa de estudios, la UNAM, a partir del proyecto
High Altitude Water Cherenkov Detector (HAWC) o Detector Cherenkov de
Agua de Gran Altitud, ubicado en el volcán Sierra Negra en el estado de
Puebla, que aprovecha este efecto para estudiar todo el mar de neutrinos
Más rápido que la luz / CIENCIORAMA 11
en el que estamos inmersos, y así tratar de comprender cuál es el papel
que estas esquivas partículas juegan dentro de nuestro universo (para saber
más sobre estas esquivas partículas te recomiendo leer "El neutrino y la
ballena" aquí en Cienciorama). Sabemos muy poco de los neutrinos ya que
interactúan muy poco con la materia de la que estamos hechos, sin embargo
cuando lo hacen emiten radiación de Cherenkov.
Figura 7. Las partículas provenientes del espacio y las partículas secundarias que
producen al estrellarse con las moléculas de la atmósfera se pueden detectar mediante
un detector tipo Cherenkov. Imagen de: https://web.physik.rwth-
aachen.de/~erdmann/auger/auger_design.jpg.
El HAWC está localizado en Atzitzintla, Puebla, en la cima del volcán Sierra
Negra. El proyecto, igual que muchas de las cosas que acabamos de
mencionar, merece una explicación mucho más profunda, te recomiendo que
busques información en los sitios que menciono en la bibliografía. Respecto
a la luz que emite el agua en contacto con una fuente radiactiva, lo más
frecuente es que ésta tenga un tono azuloso, como puedes ver en la figura
inicial del artículo, sin embargo en la cultura popular lo hemos convertido
en un color verde. No está de más saber que dentro de cada detalle de lo
Más rápido que la luz / CIENCIORAMA 12
que vemos a nuestro alrededor, muchas veces existen coloridas anécdotas
que incluyen mucha física, así que te reto a encontrarlas.
Bibliografía
• Cherenkov P. A., “At the threshold of discovery”, Nuclear Instruments and Methods A,
1986; 248;1-4.
• Govorkov B. B., “Cherenkov detectors in Cherenkov's laboratory”, Nucl Instrum Meth
A 2005; 553; 9-17.
• Bolotovskij B. M., “Radiación de Vavilov-Cherenkov: historia y aplicaciones”, Успехи
Физических Наук, 2009; 179(11); 1161-1173.
• Afanasiev G. N., Vavilov-Cherenkov and synchrotron radiation: foundations and
applications, Springer Science & Business Media, NuevaYork, 2006.
• Grichine V. M., “On Cherenkov radiation from a shower”, Nuclear Instruments and
Methods A, 2012; 664; 75-77.
• D'Olivo J. C., Nieves J. F., Pal P. B., “Cherenkov radiation by mass less neutrinos”,
Physics Letters B. 1996; 365(1):178-184.
• Villavicencio M., Análisis de algunos procesos radiactivos en medios materiales en la
electrodinámica clásica, UNAM, México, 2016 (tesis de doctorado).
• De Young T., “The HAWC observatory”, Nuclear Instruments and Methods A, 2012;
692; 72-76.
Imagen inicial:
http://www.philrutherford.com/images/cherenkov_radiation.jpg