¿La luz nos dice algo sobre el universo?

La luz, cuando se combina con nuestro conocimiento de la gravedad, la termodinámica, la física nuclear, etc., nos ha contado casi todo lo que sabemos sobre el universo.

Nos dice qué tan lejos están las estrellas de nosotros, cómo se mueven en relación con nosotros, qué tan grandes son, qué tan calientes son, qué edad tienen, cuánto tiempo durarán antes de morir y qué elementos químicos están hechos de.

En los últimos años, la luz ha comenzado a decirnos que algunas estrellas tienen planetas (‘exoplanetas;) en órbita a su alrededor; También nos ha dicho qué tan grandes son probablemente esos planetas y qué tan cerca de su estrella orbitan.

La luz también nos dice mucho sobre cuerpos astronómicos ‘no luminosos’, como los planetas y lunas de nuestro propio sistema solar, y también los restos de estrellas muertas hace mucho tiempo, como estrellas de neutrones, púlsares e incluso agujeros negros.

Un día, la luz también puede decirnos que algunos exoplanetas tienen oxígeno libre, vapor de agua, metano y otros gases en sus atmósferas que podrían indicar la presencia de vida. Incluso podría revelar otros gases que podrían sugerir la presencia de civilizaciones tecnológicas.

La luz nos dice que hay miles de millones de galaxias fuera de la nuestra, a inmensas distancias de nosotros, y retrocediendo en todas las direcciones a velocidades que pueden acercarse a una fracción significativa de la velocidad de la luz. También nos dice que se alejan de nosotros cada vez más rápido con el tiempo, a medida que la expansión cósmica del universo se acelera debido a una fuerza misteriosa que llamamos ‘energía oscura’.

Finalmente, la luz nos dice que el universo tiene alrededor de 13.7 mil millones de años, y nació en una explosión cataclísmica que llamamos Big Bang, cuando una chispa de energía estupenda, cien mil millones de millones de veces más pequeña que un protón, surgió del cuántico. vacío y dio a luz no solo a toda la energía y la materia en el universo sino también al espacio-tiempo mismo. Y todavía podemos detectar el tenue resplandor del Big Bang (o, más exactamente, de una era cósmica menos de medio millón de años después del Big Bang) a la luz del fondo cósmico de microondas.

Light nos ha contado todas estas cosas, y creo que es un hecho muy notable, casi milagroso. Por supuesto, también se ha necesitado una gran cantidad de tecnología muy costosa y exquisitamente sofisticada para reunir y analizar toda esta luz, así como el ingenio de miles de las mentes científicas más brillantes del mundo, durante al menos los últimos cien años, para interpreta sus secretos y nos revela la verdadera naturaleza del cosmos, en toda su belleza, grandeza y, continuando, misterio. El universo no solo nos regaló este conocimiento de forma gratuita; trabajamos muy duro por ello y nos lo ganamos. Nuestro conocimiento actual del cosmos se erige como uno de los mayores logros culturales e intelectuales de nuestra especie. Nosotros, como especie, deberíamos sentir un tranquilo orgullo por ese logro, y también una profunda deuda de gratitud con todos aquellos entre nosotros, vivos o muertos, que han dedicado sus vidas a este magnífico y heroico esfuerzo. Y esa gratitud se devuelve; en Gravitation , el texto clásico sobre Relatividad general de Charles Misner, John Wheeler y Kip Thorne, la dedicatoria dice lo siguiente:

Dedicamos este libro a nuestros conciudadanos que, por amor a la verdad, toman de sus propias necesidades mediante impuestos y regalos, y de vez en cuando envían uno de ellos como servidores dedicados, para avanzar en la búsqueda de los misterios y las simplicidades maravillosas de este extraño y hermoso universo, nuestro hogar.

¡La luz nos dice TODO sobre el universo! Seriamente. Bueno, luz y gravedad. Probablemente también puedas incorporar las fuerzas nucleares fuertes y débiles 🙂 Y el electromagnetismo, que está mediado por la luz, ¡y están muy entrelazados!

Para los animales visuales como los humanos, la luz visible transmite información que luego puede ser procesada y analizada por nuestros cerebros. En cuanto a la naturaleza del cosmos en su conjunto, bueno, la luz ciertamente nos dice mucho sobre el universo. Como yo (y otros físicos) podríamos escribir una enciclopedia sobre este tema, tengo que generalizar a los extremos aquí.

La velocidad de la luz: una propiedad inmutable e inmutable de nuestro universo. La luz no solo nos brinda información visual y permite la radiación, la electricidad, el magnetismo y muchos otros fenómenos relacionados, la velocidad de la luz es el límite de velocidad del universo. NADA puede excederlo en el vacío. Algunos físicos han desarrollado experimentos inteligentes que pueden dar la APARIENCIA de movimiento superluminal, pero en lo que respecta a la radiación electromagnética y su capacidad para transportar información a través del universo, se limita a aproximadamente 297,000,000 millas por segundo. Muy rápido.

Como sabrán, la luz visible es solo una pequeña parte del espectro electromagnético general. Es simplemente la porción del espectro que está aproximadamente entre 300 y 700 nanómetros, sin embargo, las diferentes fuentes tienen límites más estrictos. Aún así, hay completamente arbitrario. No es casualidad que podamos ver en este rango tampoco. A estos niveles de energía correspondientes, la luz tiene suficiente energía para golpear una molécula de pigmento fotosensible (como la retina) y causar un cambio conformacional de su estructura. Esto desencadena una cascada de reacciones químicas mediadas biológicamente. Finalmente, la información visual de la retina se envía a la corteza visual del cerebro donde se procesa más.

La luz violeta tiene la mayor energía de la luz visible. Disminuir la longitud de onda da más luz ultravioleta (UV). Esta es la más débil de las llamadas “radiaciones ionizantes”: radiación lo suficientemente potente como para quitar electrones y limpiar sus átomos anfitriones (¡incluso en nuestro ADN!). Esto causa daño al ADN y a la célula misma. Puede ser reparado por nuestras defensas naturales, la célula puede suicidarse voluntariamente (apoptosis), el golpe de luz puede alterar una sola base de ADN, cambiar su secuencia de código, y esto puede repararse, no hacer nada, crear un no proteína viable, o causar cáncer. La luz aún más potente y con longitudes de onda más cortas son los rayos X y finalmente los rayos gamma. No te acerques a ninguno de los dos.

Volviendo al lado “rojo” del espectro, el aumento de la longitud de onda produce luz infrarroja; más comúnmente conocido como calor (de radiación). No transporta tanta energía debido a su longitud de onda más larga (¡piense en ella como un resorte! Cuanto más comprimida está la onda, más energía puede liberar cuando golpea otro objeto). Dado que no es lo suficientemente fuerte como para ionizar, ni tiene suficiente energía para alterar la conformación de la retina u otros pigmentos sensibles a la luz, los humanos no podemos verlo. Algunos otros animales pueden, como las serpientes, sin embargo, esto no se logra a través de la vía visual tal como la conocemos; involucra cámaras adicionales llenas de líquido en la cabeza que son sensibles al calor.

Si alarga la longitud de onda, obtendrá microondas y finalmente ondas de radio. Tenga en cuenta que estos NO están específicamente definidos en una determinada longitud de onda. De hecho, las longitudes de onda de unos pocos milímetros, centímetros, metros e incluso KILÓMETROS son TODAS las ondas de radio. No tienen mucho impacto, sin embargo, viajan en “c” como toda radiación, y nuestra atmósfera es transparente para ellos. Esto los hace muy útiles para observar objetos astronómicos de fuentes de radio a muchos años luz de distancia. Por supuesto, también son útiles para transmitir información sobre la tierra, en forma de música o televisión. ¡Las microondas también tienen un lugar especial en cosmología, tanto para visualizar el universo como para mostrarnos cómo se veía el universo apenas 380,000 años después del Big Bang! Este es el Fondo Cósmico de Microondas (CMB) y es un remanente del nacimiento del universo.

Una última propiedad maravillosa de la luz visible que mencionaré aquí para responder a su pregunta acerca de cómo la luz nos hace comprender el universo: si bien su velocidad puede ser insondable para nuestros sentidos, sí tiene un límite que comienza a marcar la diferencia cuando se habla de tan enorme distancias como dentro del universo. Gracias a la velocidad finita de la luz, podemos mirar hacia atrás en el tiempo cada vez que contemplamos el cielo nocturno. La luz de algunas de las estrellas que podemos ver a simple vista dejó sus estrellas hace miles de años. Usando telescopios potentes como el Hubble, podemos mirar MILLONES de años atrás en el tiempo, intentando descubrir el universo y todos los misterios que contiene.

La luz es el puente entre los misterios del universo y toda la humanidad.