Luz y materia, y más luz

De forma burda, podemos considerar que el universo está formado por dos tipos de sustancias: luz y materia. La materia está formada por fermiones (protones, netrones, electrones…) y la luz está formada por fotones, que son bosones. También de forma burda, podemos hacer una analogía y considerar que los fermiones son los ladrillos con los que está formado cualquier cuerpo material: yo, tú, una estrella, la luna, este ordenador, una vaca, el aire, mi prima… y los bosones son como el pegamento que mantiene unidos los fermiones de los que están hechos. Los fotones (luz) son bosones, pero no todos los bosones son fotones. La lista de los bosones que existen está en el enlace anterior, pero solo los bosones gauge son los que actúan como este pegamento. Por ejemplo, los gravitones, que aún no han sido descubiertos experimentalmente, pero sí predichos teóricamente, son los responsables de que la materia se atraiga mediante la interacción de gravedad, los gluones son los responsables de mantener los protones y neutrones unidos en el núcleo mediante lo que se denomina interacción fuerte y los bosones W y Z, son los responsables, por ejemplo, de que algunos átomos sean radiactivos mediante la interacción electro-débil. La otra interacción que queda es la interacción electromagnética, que hace que dos cargas con igual signo se repelan o que un imán se pegue a un metal ferromagnético, y es realizada por los fotones, lo que nosotros llamamos luz.

Interacciones en la naturaleza

La única (casi la única) fuente de información de las estrellas, galaxias y otros objetos celestes, es la luz que nos llega a través del espacio hasta nuestros medidores, ya sean telescopios, radiotelescopios o nuestros propios ojos, ya que no podemos ir a objetos tan lejanos a coger muestras y traerlas para analizarlas en laboratorio, solo podemos analizar la luz que nos llega de ellos para poder así saber sus propiedades de forma indirecta. Es por tanto importante saber en detalle qué es lo que entendemos por «luz».

Los fotones son una partícula cuántica con una función de onda asociada, podemos visualizarlos en cierto sentido como si fuesen una onda, y quedan descritos casi en su totalidad por su frecuencia de vibración, o lo que es lo mismo, por la longitud de esa onda, ya que se desplazan a una velocidad constante, la velocidad de la luz. La relación entre longitud de onda y frecuencia es , es decir, cuando la frecuencia aumenta, la longitud de onda disminuye. La gente tiende a confundir este concepto, considerando por ejemplo que los rayos X de las radiografías son otro tipo de «cosa» diferente a la luz visible. Sin embargo, tanto la luz verde que vemos en un semáforo, como los rayos X, o las ondas de radio, son fotones, pero cada una con una frecuencia (o longitud de onda) diferente.

En la típica (cansina) imagen anterior podemos ver a que tipo de fotones corresponde cada frecuencia (o longitud de onda). Es el llamado espectro electromagnético. Es espectro porque muestra todo el abanico de posibles frecuencias, y es electromagnético porque como ya dijimos, el fotón es el responsable de la interacción electromagnética. De hecho, la emisión de un fotón puede producirse por la vibración de una partícula cargada, y la frecuencia del fotón emitido será la frecuencia con la que está vibrando esa partícula (todo esto es mucho más complicado, pero es una buena idealización).

Por tanto, ya sean las ondas de radio, las ondas que emite nuestro teléfono móvil, las ondas de microondas, el calor que emite una estufa, los rayos X, los rayos γ que emiten ciertos elementos radioactivos, o por supuesto, la luz visible que vemos con nuestros ojos, todos ellos son fotones, con la única diferencia de que cada uno tiene una frecuencia diferente. Además, cada tipo de fotón tiene una energía que depende exclusivamente de esa frecuencia propia, que tiene como valor , donde h es la constante de Planck, es decir, cuanto mayor es su frecuencia, mayor es su energía. Es por esto por lo que las ondas de radio no nos producen daños en el cuerpo, mientras que los rayos X o γ, debido a su alta frecuencia, y por tanto alta energía, pueden causarnos daños al ionizar o «quemar» nuestras células.

En astrofísica, la radiación con una longitud de onda mayor del orden de los mm se les llama «radio», subdividiéndose en centimétricas ( del orden de cm) y milimétricas (del orden de mm). Luego esta el infrarrojo (longitudes de ondas mayores que el rojo), el visible (la parte del espectro que podemos ver con los ojos), el ultravioleta (longitud de onda menor que el violeta), los rayos X (duros y blandos) y los rayos gamma. Cada fenómeno físico producido en las estrellas, galaxias… producirá un tipo de radiación diferente, que puede ser tapado o no por nubes de polvo, o puede ser absorbida parcialmente… son muchísimos los casos concretos que se darán en cada situación.