Ondas electromagnéticas y gravitatorias

Ondas electromagnéticas

En 1886, el físico alemán Heinrich Hertz puso a prueba la teoría creada por un físico teórico escocés llamado James Clerk Maxwell en 1865. Maxwel se dio cuenta que todos los fenómenos eléctricos (rayos en una tormenta eléctrica, la corriente en un cable o las pequeñas descargas que se general al quitarse un sweater) podrían relacionarse con los fenómenos magnéticos conocidos (imanes, movimiento de brújulas). Maxwell unificó la electricidad y el magnetismo en su teoría electromagnética, lo que permite entender fenómenos eléctricos y magnéticos como dos manifestaciones de un mismo fenómeno. Posteriormente esta teoría fue escrita en lenguaje moderno como una teoría cuántica que hoy llamamos electrodinámica cuántica (pero esa es otra historia). La teoría de Maxwell consiste en un set de cuatro ecuaciones que permiten describir cualquier fenómeno eléctrico y magnético (además de usarse para un clásico chiste, adornar autos eléctricos y hacer sufrir a todo estudiante de física por varios años!) Una de las predicciones de las ecuaciones de Maxwell es que el movimiento de partículas cargadas eléctricamente debería generar ondas, de la misma manera que la caída de una hoja en una posa de agua generará ondas en la superficie que se propagan en todas direcciones. La historia se parece a la de Peter Higgs (también escocés) postulando una idea para resolver un problema haciendo una predicción que permitiría testear la validez de la nueva idea en experimentos (en el caso de Higgs es el famoso bosón que parece haber sido descubierto en el CERN). Al contrario de Higgs, Maxwell no alcanzó a ver la confirmación de su predicción (murió en 1879), lograda por Hertz siete años más tarde. Hertz demostró que Maxwell tenía razón al proponer que campos eléctricos y magnéticos se propagan como ondas que se mueven a la velocidad de la luz. Hertz también nos enseñó que sólo basta tomar una partícula cargada (como un electrón) y agitarla para generar estas ondas electromagnéticas (tal como señalan las ecuaciones de Maxwel). Gracias a la teoría de Maxwell y los experimentos de Hertz ahora entendemos que la luz es un tipo particular de onda electromagnética, de la misma forma ondas de radio, microondas, rayos X, infrarojos y ultravioleta también son ondas electromagnéticas. La única diferencia entre estos tipos de ondas es el número de vibraciones por segundo, lo que en física se llama frecuencia (número de oscilaciones por segundo) y la unidad de frecuencia es el hertz (Hz) en honor a Heinrich. Es por eso que cada estación de radio se identifica con una determinada frecuencia en el dial, típicamente varios millones de hertz o megahertz denotado MHz (mega significa 1 millón). Ondas de mayor frecuencias son también ondas con más energía y los físicos han clasificado las ondas de acuerdo a su frecuencia ya que eso permite estimar su energía. Las ondas de radio son las menos energéticas y al otro lado del llamado espectro electromagnético se ubican los peligrosos rayos gamma (producidos por ejemplo en explosiones nucleares).

Se llama espectro electromagnético a los diferentes tipos de ondas clasificadas de acuerdo a su frecuencia (o energía).

La figura del espectro electromagnético muestra los nombres de los diferentes tipos de radiación y es posible notar una pequeña banda cerca del centro que corresponde a la luz visible. Esta es la única región que los humanos podemos ver con nuestros ojos! También puede verse en el zoom de esta pequeña banda que los extremos del rango visual son el rojo (baja energía) y el violeta (alta energía), y los colores corresponden al patrón que vemos en un arcoiris. La radiación justo antes de la visible algo menos energética es la radiación infrarroja (es la que usa el control remoto de la TV, los lentes de visión nocturna y que algunas serpientes, entre otros animales, pueden percibir haciéndolos excelentes cazadores), y la que sigue a la radiación visible es la que viene después del violeta, por lo tanto es más energética, es lo que llamamos rayos ultravioleta (tan dañinos para nuestros ojos). Dado que nuestros ojos son sensibles a una región tan limitada del espectro y muchas cosas ocurren en rangos fuera de la radiación visible los científicos han creado instrumentos para medir los otros tipos de radiación. Comúnmente cuando hablamos de telescopios nos referimos a telescopios ópticos que sólo son útiles para estudiar luz visible, para estudiar radiación de otras frecuencias (o energías) se usan telescopios de rayos X y gamma, telescopios infrarrojos, etc. algunos de los cuales son telescopios espaciales que se encuentran en órbita. En un post anterior hablamos de varios telescopios poco convencionales.
Volviendo a las ondas, hoy en día nuestras comunicaciones dependen del uso de las ondas electromagnéticas incluyendo celulares, wi-fi, radio, y comunicaciones satelitales. Los electrones que generan las ondas que usamos para comunicarnos son agitados por esos dispositivos que llamamos antenas. Vivimos rodeados de antenas en cada esquina además de la antena portátil de nuestros dispositivos electrónicos. Las ondas electromagnéticas nos rodean como un legado del gran Maxwell al que hemos aprendido a controlar y usar en nuestro diario vivir.

Einstein describiendo su teoría general de la relatividad

Ondas gravitatorias

En 1915, Einstein publicó teoría general de la relatividad, en la que nos enseñó que el espaciotiempo es flexible y se deforma ante la presencia de objetos masivos como el Sol (más detalles en este post anterior). Una pregunta inmediata que surge ante esta idea de un espaciotiempo flexible es ¿qué pasaría si un objeto tan masivo como para deformar el espaciotiempo se mueve rápidamente? ¿podría la agitación de objetos muy masivos generar ondas en analogía a las ondas producidas por Hertz? La respuesta a esta última pregunta es afirmativa (en teoría). Un interesante ejercicio académico de todo estudiante de física es tomar las ecuaciones de la relatividad general y mostrar que una perturbación del espacio (equivalente a la hoja cayendo en la posa de agua) se propaga a la velocidad de la luz en todas direcciones y el campo gravitatorio obedece la misma ecuación que las ondas de Maxwell. Estas ondas gravitatorias son una predicción de la teoría de Einstein, sin embargo hasta la fecha no han sido confirmadas experimentalmente. Uno de los motivos es que se necesita agitar rápidamente una masa enorme para generar una onda gravitatoria, por lo cual es algo imposible de hacer de manera artificial en un laboratorio. El otro motivo es que sus efectos serían muy pequeños.

paso de una onda gravitatoria

En concreto una onda gravitatoria haría que los objetos se contraigan y estiren a su paso. El efecto sería muy pequeño, pero podría amplificarse con el estudio de objeto de gran extensión por lo que observatorios de ondas gravitatorias como LIGO (Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory) en EEUU consisten en dos largos brazos perpendiculares (4 km cada uno) al final de los cuales hay un espejo. Un láser mide la distancia a cada espejo, la que aumentará y disminuirá alternadamente en cada brazo ante el paso de una onda gravitatoria. Dado que otros fenómenos podrían producir una señal parecida a una onda gravitatoria, se construyeron dos de estos observatorios en EEUU, uno en Hanford (estado de Washington) y otro en Livingston (Louisiana), ya que así una onda gravitatoria debe detectarse al mismo tiempo y tener las mismas características en ambos observatorios.

vista aérea de LIGO en Livingston, donde se aprecia la extensión de sus brazos perpendiculares de 4 km. cada uno.

Hasta la fecha no existe confirmación de la existencia de estas ondas gravitatorias, sin embargo los científicos han encontrado muchos fenómenos astrofísicos violentos que podrían generarlas. En 1974, el físico Russell Hulse y el astrofísico Joseph Taylor, Jr. descubrieron un sistema formado por dos estrellas de neutrones que orbitan un centro de masa común. Una estrella de neutrones es un objeto muy masivo pero compacto con un radio de unos 10 km. (es lo que queda al final de la vida de una estrella muy masiva) y que no es visible con telescopios convencionales por lo que usaron radiotelescopios para medir las ondas de radio emitidas por este tipo de estrellas. Sus mediciones permitieron notar que la órbita no se mantenía constante y que al pasar el tiempo la distancia entre las estrellas disminuía, es decir, con cada órbita ambas estrellas perdían un poco de energía por lo cual se acercaban lentamente. Cálculos permitieron verificar que el cambio medido correspondía al esperado si el sistema estuviese perdiendo energía en forma de ondas gravitatorias, es decir, las mediciones se ajustan con gran precisión a los predichos por la relatividad general. Este descubrimiento se considera una verificación indirecta de la existencia de ondas gravitatorias y dió el Premio Nobel a Hulse y Taylor en 1993. Sin embargo los físicos siguen a la espera de poder medir el paso directo de una onda gravitatoria en sus observatorios. Es importante mencionar que LIGO no es el único observatorio de ondas gravitatorias, GEO600 en Alemania, TAMA en Japón y VIRGO en Italia están también a la caza de estas vibraciones del espaciotiempo. Dos interesantes videos que describen detalles del funcionamiento de estos observatorios se encuentran aquí y aquí (lamentablemente en inglés), los que en la práctica corresponden a interferómetros gigantes. Existe también un proyecto llamado LISA, que es equivalente a LIGO pero en órbita en torno a la Tierra lo que permitiría brazos mucho más largos entre la fuente de láser y los espejos. Sin embargo el proyecto tiene complicaciones técnicas y económicas por lo que no hay certeza que sea alguna vez lanzado al espacio. Ya he dicho antes que la ciencia hoy de hace con migajas, las que probablemente no alcanzarán para estos proyectos tan ambiciosos.

En abril de 2011, un grupo de astrónomos de EEUU y España descubrió que un par de estrellas llamadas enanas blancas orbitan en torno a un centro común separadas a una distancia menor que la separación Tierra-Luna (las enanas blancas son los restos muy calientes y moribundos de estrellas no muy masivas como nuestro Sol, son como las brasas de un fuego extinguido). Lo notable de este sistema es que los astrónomos determinaron que las estrellas completan cada órbita en menos de 13 minutos! Esta enorme velocidad orbital convierte a este sistema (llamado SDSS J065133.338+284423.37, sí el nombre no es muy atractivo por lo que se le llama J0651) en un excelente laboratorio para testear la predicción de Einstein ya que el par del estrellas del sistema binario J0651 está siendo agitado violentamente (el paper se encuentra en arXiv).

Simulación de un sistema binario emitiendo ondas gravitatorias

Esta semana las ondas gravitatorias estuvieron en los medios ya que el mismo grupo que descubrió J0651 el año pasado (ahora junto a otros astrónomos) anunciaron que han medido que las estrellas del sistema J0651 se acercan lentamente (paper en arXiv). Este resultado es ya interesante, sin embargo los astrónomos también estimaron la tasa a la que las estrellas se acercan y lo compararon con lo que la relatividad general de Einstein predice: el resultado es que las enanas blancas del sistema J0651 se acercan exactamente como se esperaría de acuerdo a las ecuaciones de Einstein! El paper de este hallazgo está en el proceso de revisión por científicos especializados (el paper fue anunciado a hace menos de una semana), por lo que habrá que esperar para la reacción de la comunidad científica. Sin duda esto es un resultado muy interesante que parece indicar que la teoría de Einstein sigue rigiendo el comportamiento de objetos astrofísicos con gran precisión.

Comentario: muchos medios de noticias científicas han cubierto esta interesante noticia, sin embargo algunos medios hablan de “descubrimiento de ondas gravitatorias”. Aquí hay que tener mucho cuidado ya que este nuevo trabajo, al igual que el de Hulse y Taylor, muestra evidencia sólida de que las ondas gravitatorias son un fenómeno real, sin embargo es evidencia indirecta. Es muy pronto para declarar la observación de ondas gravitatorias, lo que se espera ocurra en alguno de los observatorios en operación o quizás en el futuro en LISA.

Imágenes: NASA, LIGO, ESA.

Acerca de Jorge Diaz

Jorge es Investigador Postdoctoral en el Karlsruher Institut für Technologie, Alemania. Se dedica a la Astrofísica de Partículas estudiando neutrinos, rayos cósmicos y fotones de alta energía. Obtuvo su Ph.D. en Física de Partículas en Indiana University, Estados Unidos. En Twitter: @jsdiaz_
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28 respuestas a Ondas electromagnéticas y gravitatorias

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  5. Tom Wood dijo:

    Muy importante que hallas aclarado ese error. Por otro lado siempre me ha parecido que los movimientos orbitals, sean los que sean; ya pasaron por un largo proceso evolutivo y de cierta se comportan como un atomo estable, donde las fluctuaciones que generan son tan debiles que se quedan dentro de la tolerancia del sistema. Creo que las ondas gravitation detectables, de existir, repito de existir deben de ser generadas por fenomenos de cambios mas bruscos de cuerpos con masa. Fijate, que digo solo masa y no supermasivos. Es que lo creo posible para culquier conglomeration de masa que cambie su estado bruscamete, en comparacion con la gravedad que genera su masa. Son events extremos, bruscos, pocos continuos, los que generaran ondas detectables. Es decir, es tan importante la masa, como el evento.

    • para mi no existen las ondas gravit.porque toda onda tiene una frecuencia,cualquier chabón con radio la habria desc.
      es dios y nunca lo veremos=la vida,somos una granja de microbios de algún empresario cósmico,de mayor o menor tamaño al nuestro,ya que el universo se extiende también a lo pequeño,despues del micrometro,nanometro,picometro el universo sigue…asimov genio¡¡¡

  6. Jaime dijo:

    Muy buen artículo! Super claro como siempre.

    Saludos!

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  8. miguel dijo:

    Hola,me gustaria que encontraran una onda de gravedad, pero sigo pensando que no,
    Si la gravedad es una forma de onda electromagnetica entonces SI,pero como pienso
    en la teoria del botijo,contra mas lo lleno menos pesa pues no, En un agujero negro
    contra mas materia entra mas dificil le sera salir,para la gravedad mas facil (o es
    la falta de algo lo que sale), Si la gravedad es una onda electromagnetica seria mas
    facil encontrarla,pues al producirse ira de dentro hacia fuera,pero como sea la falta
    de algo,(lo que coje la energia para convertirse en masa)entonces la onda ira de fuera
    a dentro, y eso si que es muchisimo mas dificil de ver,Si en una superficie plana de agua
    callera una hoja se formaria una onda,Pero si en vez de caer una hoja lo que pasa es que en
    un punto muy pequeño automaticamente se conjela(se forma materia) seria mucho mas dificil ve
    una onda,

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  15. hector dijo:

    aparte de este hay algun otro foro de similares participantes?

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  23. Carlos Chiappini dijo:

    Dos dipolos eléctricos giratorios se atraen mutuamente cuando no hay campos adicionales presentes, es decir cuando el único campo presente proviene de los dipolos mismos.

    Podríamos construir un dipolo giratorio macroscópico tomando un ventilador de dos aspas, para poner en el extremo de un aspa carga posituva y en el extremo de la otra aspa carga negatgiva en cantidad igual. No es necesario todo el ventilador. El aspa sola basta, pues podemos hacerla girar en el vacío en torno a su centro. Esa es la idea básica de dipolo eléctrico giratorio.

    Dos dipolos eléctricos giratorios interactúan mutuamente. En algunos instantes experimentan repulsión mutua y en otros atracción mutua. La repulsión agranda levemente la distancia entre los ejes de ambos y la atracción la disminuye levemente. La distancia promedio en fases atractivas es menor que en fases repulsivas. Si las cargas permanecen constantes, la atracción predomina levemente porque la interacción electromagnética depende de la distancia. Esto significa que dos objetos eléctricamente neutros están experimentando atracción mutua, leve pero efectiva. El fenómeno puede ser constatado en laboratorio usando dipolos giratorios macroscópicos.

    Ahora viene algo que se deduce de la electrodinámica. En vez de limitarnos a analizar la ecuación de onda para los campos E , B y A , podemos la ecuación onda para el desplazamiento [vector D] = ε [vector E] + [vector P] . En el caso del desplazamiento se puede utilizar la exponencial compleja como solución de la ecuación de onda en el vacío, admitiendo que este medio se polariza cuando una onda electromagnética se propaga en él. El vector E es transversal y el vector P longitudinal. En esa forma ambas partes de la solución compleja, parte real y parte imaginaria, tienen correlato físco en las componentes del desplazamiento D . La solución para el desplazamiento en el vacío es compleja porque ese campo literalmente está compuesto por dos partes mutuamente perpendiculares, que justifican físicamente el uso de números complejos. La polarización longitudinal tiene divergencia distinta de cero y eso da carga distribuida en cada semiciclo de la onda, con el signo correspondiente. La deducción es breve, simple y permite calcular todos los detalles. La solución exponencial se auto-acota. Sin dificultad se calcula en volumen cilíndrico finito dentro del cual opera la onda compleja y es V = (1/16 π) (λ al cubo) . Es el volumen del cuanto de radiación, que en frecuencias de radiodifusión es grande y en frecuencias luminosas muy pequeño. Ese volumen abarca un ciclo de largo y la tapa del cilindro aparece como una isla circular en el frente de onda. Este frente es discontinuo, compuesto por islas circulares que son tapas de cilindros cuánticos. En términos infinitesimales,la densidad de carga en movimiento da una densidad de corriente y la polarización dinámica da una densidad de corriente contraria, en el entorno de cada punto del interior del cilindro. Ese par de corrientes opera longitudinalmente. Transversalmente hay otro par de corrientes paralelas, que tienen ambas el mismo sentido. Alrededor del punto tenemos un cuadrado elemental con corrientes en los 4 lados. Calculamos el flujo magnético en el área infinitesimal del cuadrado, lo dividimos por esa área infinitesimal y obtenemos la inductancia característica de la propagación, cuyo valor es L = (1/2π) μ λ (obviamente en el vacío es mu sub cero). Ambos semiciclos con cargas opuestas forman un capacitor que viaja a la velocidad de propagación. Viaja manteniendo sus cargas y su configuración constantes para un sistema de referencia que acompaña a la onda en la dirección de propagación, es decir para un sistema de referencia que se mueve a la velocidad de propagación. En ese sistema de referencia, el capacitor está en condición estática y su valor es C = (1/2π) ε λ . Visto el fenómeno desde un sistema de referencia fijo a un cuerpo material, la capacidad y la inductancia características de la propagación operan dinámicamente como un circuito resonante. La frecuencia de resonancia que resulta de esos dos valores es, como debe ser, la frecuencia de la onda.

    Se puede utilizar el modelo cilíndrico para analizar la formación de un par electrón-positrón por colisión mutua de dos fotones. En ese análisis queda inmediatamente calculado el cociente entre la carga de un semiciclo del fotón y la carga e del electrón (o del positrón). La carga del semiciclo fotónico (simbolizada Q) tiene un valor próximo a 3.3 e . El cociente exacto es (e/Q) = (1/2) [ -3 + (raíz cuadrada de 13) ] . Obviamente una carga que viaja en el vacío a la velocidad lumínica no posee masa en reposo. Las cargas Q no desaparecen cuando se forma un par partícula-antipartícula, pues quedan incorporadas en la estructura interna de cada partícula formada. Por esa razón todas las partículas, absolutamente todas, poseen dentro un para de cargas Q de signos opuestos. Esas cargas forman parte de una onda rotativa que se propaga dentro del volumen de la partícula. Por eso cada partícula posee interiormente un dipolo eléctrico giratorio. Un trozo de materia posee tantos dipolos giratorios elementales como partículas hay en su composición. Dos trozos de materia, ambos eléctricamente neutros, contienen dipolos giratorios elementales y se atraen levemente como los dipolos macroscópicos descriptos en el inicio de esta nota. Esa atracción leve es el fenómeno denominado gravedad. Obviamente se puede controlar la gravedad utilizando un dispositivo electromagnético que resuene con los dipolos elementales. El control más fácil resuena con los dipolos de los electrones. El control más difícil resuena con los nucleones y requiere frecuencias muchos órdenes de magnitud mayores que las frecuencias de la resonancia electrónica. El fondo cósmico de microondas no es un fósil heredado del big bang. Es un subproducto de la interacción gravitatoria, generado actualmente.

    Algo importante para saber es que la G de la fórmula gravitatoria de Newton y de la Relatividad General no es constante. Es una función que se mantiene aproximadamente constante mientras en el ambiente no haya campos adicionales importantes. Y en el ámbito astronómico no faltan campos importantres, desde moderadamente intensos hasta inconcebiblemente potentes. En esas regiones es inútil una teoría que supone a G constante. La cosmología necesita ser revisada y probablemente lo necesite la física entera.

    Esta nota podría continuar mostrando el desarrollo matemático de todo lo comentado, pero eso requiere enviar un archivo PDF. Igualmente supongo que puede ser suficiente para invitar a la reflexión. Saludo cordial.

    Carlos Alejandro Chiappini
    carloschiappini@hotmail.com

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