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Ciencia Nuestra de cada Día

La Naturaleza nos sorprende cada instante con multitud de fenómenos que despiertan nuestra curiosidad. La Ciencia Nuestra de Cada Día es un espacio en el que Ángel Rodríguez Lozano nos incita a mirar a nuestro alrededor y descubrir fenómenos cotidianos que tienen explicación a la luz de la ciencia.

¿Cuánto pesa un rayo de luz?

Rayo desviado por una estrella

Pues sí, aunque pueda parecer chocante, un rayo de luz pesa, poco, pero pesa. La pregunta tiene su enjundia como vas a comprobar.

Hablas de peso y ése es un concepto relativo, por mucho que nos extrañe oírlo. La prueba es que, dependiendo de dónde estemos, así pesamos. Hagamos un experimento imaginario. Imaginemos que un abnegado colaborador de Cienciaes carga con una báscula de baño y recorre varios lugares para ver si su peso cambia. En su casa comprueba que la báscula marca 60 kg. Ahora bien, ése es su peso en la superficie de la Tierra ¡probemos en otros lugares del Sistema Solar!

Fletamos una nave espacial y mandamos a nuestro sufrido voluntario, con su báscula bajo el brazo, a la Luna, con la misma vestimenta que llevaba en la Tierra cuando se pesó. Al subir observa sorprendido que ¡sólo marca 10 kg! Esto tiene su explicación: la cantidad de materia de nuestro amigo, o sea su masa, es la misma, pero la Luna es mucho más pequeña que la Tierra y atrae a los cuerpos con una fuerza de gravedad que sólo llega a ser la sexta parte de la terrestre. Después, vuela hasta Marte y comprueba que allí pesa 23 kg, a continuación pone rumbo a Júpiter y descubre que no hay una superficie sólida sobre la que posarse pero que, si la hubiera, la báscula marcaría 150 Kg.

Ya lo ven, una cosa es la masa o cantidad de materia y otra distinta el peso. Podríamos pensar que la masa del voluntario astronauta no cambia y el peso sí. Sin embargo y siento estar siempre fastidiando eso tampoco es cierto o, al menos, sólo es cierto cuando la masa está en reposo. Veamos cómo se come esto.

Supongamos, por ejemplo, que tenemos en nuestra mano la bala de una pistola. La bala tendrá una masa concreta, unos gramos, y colocada sobre la palma de nuestra mano es totalmente inofensiva. Sin embargo, disparada por la pistola puede matar. La bala es la misma pero, al ser disparada, ha adquirido una velocidad muy grande, ha ganado energía de movimiento (energía cinética), y es la energía la que mata. Por supuesto, la energía será mayor cuánta más velocidad lleve y cuanto más pesada sea. Si el proyectil es más grande, una bala de cañón, por ejemplo, y deseamos dispararlo a la misma velocidad, tendremos que comunicarle más energía con mayor cantidad de explosivo. La energía de movimiento será mayor y el destrozo que provoque, más grande.

La pregunta se refiere a un rayo de luz así que imaginemos, para iluminar la respuesta, que intentamos acelerar el movimiento de la bala cada vez más. Tendremos que ir empujando la bala, suministrándole energía de propulsión. No tardamos en comprobar que, a medida que la velocidad de la bala se va acercando a la de la luz, comienzan a suceder cosas extrañas, tan extrañas que fue necesaria una nueva teoría para describirlo: la Teoría Especial de la Relatividad. El autor de esa teoría, Albert Einstein, demostró que, a velocidades tan elevadas, la masa de la bala cambia. A medida que se va acercando a la velocidad de la luz, la bala se hace más pesada, como si estuviéramos empujando un cuerpo cada vez más masivo, cuesta más aumentar su velocidad. Se hace pesada como una bala de cañón, como una montaña o un planeta y así hasta el infinito, de tal manera que, por mucha energía que empleamos, nunca logramos que alcance la velocidad de la luz.

Einstein vio claro lo que sucedía: la energía y la masa son la misma cosa. Podríamos decir que la masa es “energía extraordinariamente concentrada”. Esta propiedad quedó plasmada en una de las ecuaciones más famosas de la física: E=mc^2^ . Con ella podemos convertir, al menos teóricamente, la energía en masa o la masa en energía con una facilidad pasmosa. Y como masa y energía son dos aspectos de una misma cosa, ya podemos responder a la pregunta.

En el vacío, la luz se mueve a la velocidad límite, a 300.000 km/s. Su forma es energía pura, una energía que, utilizando la ecuación de Einstein, tiene su equivalente en masa. Las partículas de luz, los fotones, tienen masa cero cuando están parados, es decir, su masa es nula en reposo. Si no fuera así, su masa, por pequeña que fuera, crecería como la de la bala y jamás llegaría a alcanzar la velocidad de la luz. Pero nadie ha visto un rayo de luz parado. Así pues, un rayo de luz es energía pura pero, como energía y masa son equivalentes, la energía también es atraída por la gravedad. Ésta fue una de las predicciones más sorprendentes de Einstein.

Los rayos de luz no podemos ponerlos sobre una báscula de baño pero se ha comprobado que, al pasar cerca de una estrella masiva, la gravedad de la estrella los atrae y los hace cambiar de dirección. El rayo de luz se curva debido a la atracción gravitatoria, como se curva la trayectoria de un asteroide cuando pasa muy cerca de la Tierra y ese cambio de dirección es una medida de su peso. Dicho de otra manera: la luz pesa. Ahora bien ¿cuánto pesa? Pues, en reposo nada, pero si convertimos su energía en la masa equivalente, pesará más o menos dependiendo de lo fuerte que sea atraída, como sucedía con nuestro voluntario cuando se pesaba en la Tierra o en la Luna. La única diferencia es que la masa equivalente de los fotones del rayo de luz es tan pequeña que sólo los objetos más masivos, estrellas y galaxias, curvan la luz lo suficiente como para que su peso pueda ser medido.

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