Tienes las cosas al revés. Todas las ondas que sabes que se propagan “a través de un medio” se basan fundamentalmente en ondas electromagnéticas que se propagan a través de la nada.
¿Qué significa que las ondas se propaguen “a través de un medio”? Veamos algunos ejemplos. Por ejemplo, tienes sonido. Esta es una onda longitudinal: funciona comprimiendo o estirando un material ( por ejemplo, un sólido, un gas o un líquido) en un área determinada, y luego esta deformación se propaga a las regiones cercanas debido a alguna forma de elasticidad. Para un sólido, este podría ser el hecho de que una región comprimida empuja contra lo que sea que la esté comprimiendo, por lo que una compresión local conduce en poco tiempo a las regiones cercanas que se comprimen. Para un gas, esto se debe a que un área de baja presión permite que el gas cercano se mueva hacia adentro, disminuyendo así la presión cercana, mientras que la aumenta en el punto inicial. Lo que hace que este tipo de onda sea “longitudinal” es que la deformación ocurre en la misma dirección que la propagación de la onda.
En ondas transversales, la oscilación ocurre perpendicular a la dirección de propagación. Un ejemplo de esto son las oscilaciones en una cuerda de guitarra: tirar de la cuerda en un punto conduce a una deformación que luego comienza a disminuir debido a las fuerzas elásticas; pero la reacción a estas fuerzas (que se deben a regiones cercanas de la cuerda) conduce a deformaciones en la vecindad del arranque inicial. Esto eventualmente resulta en una oscilación en la cual la cuerda se mueve en una dirección, pero la onda se mueve en una dirección perpendicular. Otro ejemplo de esto son las ondas sísmicas, en las cuales las deformaciones de corte (en las que una capa de suelo se desplaza en comparación con las capas cercanas) se propagan perpendicularmente a la dirección del corte.
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Un ejemplo más interesante de ondas transversales son las ondas superficiales, como las ondas en un lago. A diferencia de los ejemplos anteriores, en este caso el estiramiento o la compresión del medio es insignificante. El agua, por ejemplo, es aproximadamente incompresible (lo que está relacionado con el motivo por el cual el sonido viaja mucho más rápido en el agua que el aire), y las ondas superficiales existirían incluso si fuera completamente incompresible. Esto ocurre debido a la tensión superficial, la fuerza que empuja la superficie de un líquido hacia el área más pequeña posible. En el caso de la superficie de un lago, el área más pequeña sería una superficie plana, por lo que cualquier perturbación en algún lugar encontraría una fuerza que empujaría la superficie del agua hacia la planitud. Como antes, esto sucede debido a las fuerzas de ubicaciones cercanas en la superficie del agua, y la tercera ley de Newton garantiza que ahora esas regiones serán desplazadas, asegurando así la propagación de la ola.
Ahora, la clave en todos estos ejemplos es que el “medio” a través del cual se propagan las ondas en realidad está formado por muchos átomos con un espacio vacío entre ellos. Si bien parece intuitivo que cuando empujas algo, se opone a la resistencia, es mucho menos intuitivo por qué mover algunos átomos en un lugar debería tener un efecto en los átomos cercanos. ¿Por qué no se pueden unir los átomos (comprimiendo un material) sin generar una fuerza elástica que se oponga al cambio? Y resulta que la respuesta es, esencialmente, interacciones electromagnéticas [*]. Las ondas electromagnéticas que se propagan a través de la nada son la razón por la cual las ondas de materia son posibles.
[*] Existe otro ingrediente necesario, quizás sorprendente, y ese es el principio de exclusión de Pauli. Resulta que la materia colapsaría si las partículas de las que está hecha no estuvieran sujetas al principio de exclusión.
Entonces, lo que sucede aquí es esto. Una onda es simplemente una oscilación de propagación. Mientras tenga algo que pueda oscilar, y una forma de propagar esa oscilación, tendrá una onda. Realmente no importa en absoluto si hay un medio o no. Más específicamente, para que se forme una onda, necesitamos una “cosa” que tenga una posición de equilibrio alrededor de la cual pueda oscilar, y alejarse de este equilibrio conduce a “fuerzas elásticas” que tienden a empujarla hacia atrás. Debe haber conectividad espacial, de modo que las fuerzas elásticas se deban a “cosas” cercanas que también oscilan, y es por eso que una deformación en un punto puede propagarse a puntos cercanos. Y las fuerzas deben actuar para cambiar no el desplazamiento en sí, sino su velocidad, de modo que una vez que una “cosa” vuelve al equilibrio con una velocidad distinta de cero, continúa, aunque la fuerza es cero (esto está relacionado con la primera condición anterior, ya que sin esta condición no tendrías oscilaciones).
El punto clave aquí es que la “cosa” que oscila no tiene que ser el tipo de materia con la que estás familiarizado. Para las ondas electromagnéticas, por ejemplo, las “cosas” que oscilan son el campo eléctrico y el campo magnético. La conectividad espacial se debe a la ley de inducción electromagnética, que indica que un campo magnético cambiante genera un campo eléctrico, y la ley de Ampère, que indica que un campo eléctrico cambiante genera un campo magnético. También hay otros tipos de ondas: la “cosa” que oscila puede ser la métrica del espacio-tiempo en la relatividad general (estas serían ondas gravitacionales), o la amplitud de una onda cuántica en la mecánica cuántica (estos serían estados de viaje para partículas) . Lo principal a entender es que el oscilador no necesita ser algo que reconocerías como materia.
