Problema de física: ¿Por qué la luz parece disminuir su velocidad cuando no está en el vacío?

Nuestra forma de observar el universo es a través de la luz utilizando todo su espectro, desde los rayos gamma hasta radio. Además, la luz también es la forma de comunicación entre antenas e incluso entre satélites. Uno de los mayores avances de la humanidad fue comprender el electromagnetismo y comprender mejor la luz.

Uno de los descubrimientos del electromagnetismo fue que la luz tiene una velocidad constante en el vacío. La luz tiene el límite de velocidad máxima en el universo con una velocidad de c = 299972 km/s. Este descubrimiento fue la base para que Albert Einstein introdujera la relatividad y concluyera que la velocidad de la luz es la misma para todos los sistemas de referencia.

Sin embargo, aprendemos desde pequeños que la luz se ralentiza cuando pasa de un medio a otro. Por ejemplo , la velocidad de la luz en el aire es mayor que la velocidad de la luz en el agua. El valor conocido como c sólo es posible en el vacío. Pero ¿por qué la luz parece disminuir a mitad de camino? ¿Y cómo explica la Física este fenómeno?

Dualidad onda-partícula

Uno de los fenómenos más interesantes de la Física es la dualidad onda-partícula. Este fenómeno describe qué propiedades de la Mecánica Cuántica pueden comportarse como una partícula o como una onda. Los electrones, protones y fotones son ejemplos de componentes que se comportan como una onda o una partícula.

El componente más conocido con esta propiedad es el fotón, que es la partícula asociada a la luz. También sabemos que la luz tiene propiedades ondulatorias e incluso hemos dividido el espectro electromagnético en longitudes de onda y frecuencias. Dependiendo del tipo de observación, la luz puede tratarse como una u otra y los resultados convergerán.

La ley de Snell

En Física Óptica, una de las principales leyes es la famosa Ley de Snell. Esta ley describe cómo cambia el comportamiento de la luz de un medio a otro. La fórmula es bastante sencilla: conocemos los ángulos, longitudes de onda o índices de refracción de la luz antes de que entre en el medio y entonces es posible encontrar cambios en la velocidad de la luz.

La ley de Snell es importante en varias áreas, como en la construcción del vidrio de las ventanillas de los automóviles, por ejemplo. En nuestra vida diaria observamos la ley de Snell cuando estamos en la piscina y la posición de algo en el agua parece diferente dependiendo de dónde se observe. Pero lo que más llama la atención es la diferencia de velocidades.

Usando la ley, es posible ver que la velocidad de la luz en el aire es diferente de la velocidad de la luz en el agua, considerando el ejemplo de una piscina. Esto también es válido para diferentes medios. Sabemos que la velocidad máxima de la luz ocurre cuando está en el vacío y por eso es común escuchar que la luz es sólo lo más rápido del universo en el vacío.

Absorción y reemisión

Cuando la luz pasa a través de un medio compuesto de átomos, como el aire o el vidrio, interactúa con los átomos que componen ese medio. Las interacciones ocurren a través de absorción y reemisión. La absorción es cuando los átomos absorben fotones pasando energía a electrones que pasan a un nivel de energía más alto.

Como todo en el Universo busca un nivel mínimo de energía, el electrón necesita perder esa energía para volver a su nivel energético original. La forma en que el electrón pierde energía es reemitiendo nuevamente el fotón al medio. Este proceso se llama reemisión y lleva un tiempo desde que se absorbe hasta que se reemite.

Carrera de obstáculos

Por efecto de absorción y reemisión, el fotón sufre un retraso en el tiempo que tardaría de un punto a otro, haciendo que la velocidad parezca menor. Es como una carrera de obstáculos donde los obstáculos son los átomos que están presentes en un medio. Este proceso de absorción y reemisión ocurre en innumerables ocasiones.

Por lo tanto, estos obstáculos retrasan la luz, haciendo que la velocidad efectiva sea menor que la velocidad de la luz tal como la conocemos. A pesar de esto, la velocidad del fotón de un átomo a otro sigue siendo la misma y constante independientemente del sistema de referencia. En el vacío, este efecto no se produce porque no hay obstáculos para la luz.

Cambio en cada medio

La velocidad efectiva que tendrá la luz en cada medio varía dependiendo de cuántos átomos estén presentes en un volumen determinado. En el aire, los átomos están más dispersos, por lo que hay menos obstáculos que en el mismo volumen de agua. Esto se vuelve aún más evidente cuando consideramos sólidos como los vidrios, donde los átomos están mucho más juntos.

Por tanto, el índice de refracción cambia de un medio a otro, todo lo cual está relacionado con la densidad de cada medio. Además, otros efectos como la dispersión también están relacionados con el proceso de cambio del medio ambiente. Estos efectos son estudiados por la Física Óptica.