/ domingo 24 de junio de 2018

Sobre las ondas: todo en el universo se puede conocer, si lo observamos

Artículo No. 1131

Cierto día, un físico en su automóvil iba a alta velocidad. Un oficial de policía lo detuvo y le dijo –¿Sabe usted que se pasó una luz roja? –El físico contestó –venía tan rápido que por el efecto doppler, la luz roja ¡me pareció verde! –¿Cómo, cómo? –dijo el oficial. –¡Si! –dijo el físico –Al ir tan rápido, la longitud de onda del color rojo disminuyó, hasta alcanzar la del verde.

El oficial no supo que hacer y decidió multarlo por algo que el físico había confesado: exceso de velocidad.

Pero nos preguntamos ¿puede cambiar el color de la luz por la velocidad del observador?

El espectro electromagnético

ONDAS

Hemos visto vibrar una liga o una cuerda de guitarra, o hemos tirado una piedra al agua y vimos las ondas concéntricas crecer.

Un pato sobre el agua genera ondas a su alrededor, que crecen y se desplazan, mientras aparecen otras.

Al avanzar el pato, las ondas del frente se juntan, mientras que las de atrás se separan.

Si el pato acelera, cada nueva onda –al frente de él– aparecerá más cerca de la anterior.

El Efecto Doppler

EFECTO DOPPLER

El sonido son ondas producidas por diferentes presiones sobre el aire, pero en lugar de ser unidireccionales como la liga o la cuerda de la guitarra o bidimensionales, como en la superficie del lago, las del sonido son esferoidales; crecen alrededor de la fuente de sonido: un piano, un hablante, una bocina o una sirena.

Si la fuente de sonido se mueve –una ambulancia–, las ondas al frente se van juntando, y detrás se van separando; igual a las ondas de agua alrededor del pato en movimiento.

Y lo escuchamos así: al acercarse la ambulancia con la sirena encendida, escuchamos un sonido agudo, al pasar de nosotros, el sonido cambia a grave.

Lo llamamos ‘efecto doppler’; es el cambio de frecuencia de una onda debido al movimiento de la fuente.

Alexander Friedman y George Gamow

Llamamos frecuencia, al número de ondas por unidad de tiempo.

Al avanzar la ambulancia, las ondas al frente se van acumulando, hay una mayor frecuencia o más ondas en un periodo de tiempo; atrás, las ondas se van separando, la frecuencia disminuye, hay menos ondas en el mismo periodo de tiempo. Por lo que el sonido en cada caso es diferente.

EN LA LUZ

E; y observarlo llevó a grandes descubrimientos.

La luz, las microondas, los rayos x, el infrarrojo, el ultravioleta, las ondas de radio, tv, telefonía celular, internet inalámbrico (wi-fi), son ondas electromagnéticas, variaciones del campo eléctrico y magnético; y por tanto, susceptibles a comportarse de acuerdo al efecto doppler.

La diferencia de cada uno de estos fenómenos es una diferente longitud de onda.

Veamos; llamamos ‘cresta’ a la parte alta de una onda y ‘valle’ a la parte baja. La longitud de onda es la distancia entre dos crestas consecutivas (o dos valles). A mayor distancia entre dos crestas, mayor longitud de onda, y a menor distancia, menor longitud de onda.

Cada color tiene una longitud de onda diferente. De mayor a menor.

En e caso de la luz, cada color tiene una diferente longitud de onda, de mayor a menor; de rojo a anaranjado, amarillo, verde, azul, índigo y violeta.

LA EXPANSIÓN

En los años 20, el astrónomo Edwin Hubble observó el espectro de luz de varias galaxias. En ellos aparecían líneas cargadas al rojo. El espectro es la descomposición de la luz, en este caso de las galaxias, en los colores del arco iris.

Del ejemplo de la ambulancia; al frente de ella, las ondas se comprimen, estando atrás y verla alejarse, las ondas se separan; la longitud de onda aumenta.

En el caso de las galaxias, las lineas cargadas al rojo, el color de la mayor longitud de onda, indicaban que las galaxias se están alejando.

Lo que Hubble descubrió fue la expansión del universo; una prueba del Big Bang. Pocos años antes, el universo en expansión fue predicho –matemáticamente– por el físico ruso Alexander Friedman.

Pero con el efecto doppler también se descubren exoplanetas. Es el Método de Velocidad Radial. La estrella hace girar a los planetas a su alrededor, pero los planetas también tienen gravedad, aunque pequeña, logran jalar centímetros o metros a su estrella. Conforme rota el planeta a la estrella, ésta se desplaza, acorde a la posición del planeta. Al observar el espectro de las estrellas, aparecen líneas cargadas al azul, la estrella se acerca, y luego al rojo, la estrella se aleja.

Así se descubrió Próxima b, el exoplaneta más cercano a nuestro sistema solar. El planeta no se observó, sólo se detectó su presencia, delatada por su gravedad sobre su estrella.

EL ECO

En 1964 Arno Penzias y Robert Wilson de la Bell Telephone en New Jersey, probaban una nueva antena. De inmediato detectaron un ruido, un fondo de microondas, en todas direcciones y a toda hora; lo que indicaba que la fuente no era terrestre, parecía venía desde fuera de nuestro sistema solar, incluso fuera de nuestra galaxia. Revisaron su equipo y el ruido continuaba. Subieron a la antena y encontraron unas palomas bien instaladas en sus nidos. Pensaron que ellas causaban la anomalía y las echaron. Pero el ruido continuó.

Cerca de ahí, en la Universidad de Princenton, Bob Dicke y Jim Peebles escucharon de George Gamow –quien fue alumno de Alexander Friedman– que en el momento del Big Bang la luminosidad debió ser cegadora, y esa luz debería seguir en el universo; pero por haber pasado miles de millones de años y encontrarnos en expansión, la longitud de onda debió haber aumentado tanto, que habría rebasado la longitud de onda del rojo, del infrarrojo y estaría por las microondas.

Ondas alrededor de la embarcación, en ‘Huéspedes en el Extranjero’ – Nikolai K. Riorij. 1901. Galerías Tretiákov. Moscú, Rusia.

Mientras Dicke y Peebles pensaban cómo detectar esas microondas, Penzias y Wilson se enteraron del dilema y dedujeron que ellos estaban captando el Fondo Cósmico de Microondas buscado; el eco de la Gran Explosión o Big Bang.

Por tal hecho, Penzias y Wilson recibieron el premio nobel de física en 1978.

OTRAS ONDAS

Así como nuestro pato –que parece saber mucho de física– genera ondas a su alrededor, una galaxia, una estrella, un planeta o cualquier cosa en el universo al moverse, mueve el tejido espacio-tiempo circundante generando ondas gravitacionales. Pero son tan débiles, que es casi imposible detectarlas; eran teóricas, predichas por Albert Einstein.

Su descubrimiento se dio en 2015 y valió el premio nobel de física 2017 a: .

Hemos visto cómo las ondas nos muestran el origen y expansión del universo, y su actualidad; ondas similares a las del sonido que escuchamos a diario.

Regresando a la anécdota. Al ir hacia la luz roja, nuestros ojos captan ondas; al acelerar el coche, captamos ondas más y más cerca de la anterior; la longitud de onda va disminuyendo en nuestros ojos, hasta alcanzar la del verde (u otro color). El físico tenia razón … a medias. Antes de que usted decida intentarlo y violar todas las leyes de tránsito conocidas; debe saber que para ver la luz roja de color verde, su automóvil deberá viajar a velocidades relativistas, a 54,900 km/s o 197,640,000 km/h, es decir, a un 18.3% de la velocidad de la luz. Mejor, no intente violar las leyes de la física ni las de tránsito. german@astropuebla.org

SABÍAS QUÉ

Nuestro Gran Telescopio Milimétrico GTM en Puebla, observa en el rango del milimétrico, es decir, en las microondas.

El efecto doppler recibe su nombre de Christian Andreas Doppler, quien en 1842 describió el cambio de frecuencia de la onda por el movimiento de la fuente.

CURIOSO

Cuando un avión rompe la barrera del sonido, en realidad está rompiendo la acumulación de ondas al frente del avión, y las rebasa. Se escucha un boom sónico e incluso a veces puede observarse.

Aviones rompiendo la barrera del sonido

El Efecto Doppler

Artículo No. 1131

Cierto día, un físico en su automóvil iba a alta velocidad. Un oficial de policía lo detuvo y le dijo –¿Sabe usted que se pasó una luz roja? –El físico contestó –venía tan rápido que por el efecto doppler, la luz roja ¡me pareció verde! –¿Cómo, cómo? –dijo el oficial. –¡Si! –dijo el físico –Al ir tan rápido, la longitud de onda del color rojo disminuyó, hasta alcanzar la del verde.

El oficial no supo que hacer y decidió multarlo por algo que el físico había confesado: exceso de velocidad.

Pero nos preguntamos ¿puede cambiar el color de la luz por la velocidad del observador?

El espectro electromagnético

ONDAS

Hemos visto vibrar una liga o una cuerda de guitarra, o hemos tirado una piedra al agua y vimos las ondas concéntricas crecer.

Un pato sobre el agua genera ondas a su alrededor, que crecen y se desplazan, mientras aparecen otras.

Al avanzar el pato, las ondas del frente se juntan, mientras que las de atrás se separan.

Si el pato acelera, cada nueva onda –al frente de él– aparecerá más cerca de la anterior.

El Efecto Doppler

EFECTO DOPPLER

El sonido son ondas producidas por diferentes presiones sobre el aire, pero en lugar de ser unidireccionales como la liga o la cuerda de la guitarra o bidimensionales, como en la superficie del lago, las del sonido son esferoidales; crecen alrededor de la fuente de sonido: un piano, un hablante, una bocina o una sirena.

Si la fuente de sonido se mueve –una ambulancia–, las ondas al frente se van juntando, y detrás se van separando; igual a las ondas de agua alrededor del pato en movimiento.

Y lo escuchamos así: al acercarse la ambulancia con la sirena encendida, escuchamos un sonido agudo, al pasar de nosotros, el sonido cambia a grave.

Lo llamamos ‘efecto doppler’; es el cambio de frecuencia de una onda debido al movimiento de la fuente.

Alexander Friedman y George Gamow

Llamamos frecuencia, al número de ondas por unidad de tiempo.

Al avanzar la ambulancia, las ondas al frente se van acumulando, hay una mayor frecuencia o más ondas en un periodo de tiempo; atrás, las ondas se van separando, la frecuencia disminuye, hay menos ondas en el mismo periodo de tiempo. Por lo que el sonido en cada caso es diferente.

EN LA LUZ

E; y observarlo llevó a grandes descubrimientos.

La luz, las microondas, los rayos x, el infrarrojo, el ultravioleta, las ondas de radio, tv, telefonía celular, internet inalámbrico (wi-fi), son ondas electromagnéticas, variaciones del campo eléctrico y magnético; y por tanto, susceptibles a comportarse de acuerdo al efecto doppler.

La diferencia de cada uno de estos fenómenos es una diferente longitud de onda.

Veamos; llamamos ‘cresta’ a la parte alta de una onda y ‘valle’ a la parte baja. La longitud de onda es la distancia entre dos crestas consecutivas (o dos valles). A mayor distancia entre dos crestas, mayor longitud de onda, y a menor distancia, menor longitud de onda.

Cada color tiene una longitud de onda diferente. De mayor a menor.

En e caso de la luz, cada color tiene una diferente longitud de onda, de mayor a menor; de rojo a anaranjado, amarillo, verde, azul, índigo y violeta.

LA EXPANSIÓN

En los años 20, el astrónomo Edwin Hubble observó el espectro de luz de varias galaxias. En ellos aparecían líneas cargadas al rojo. El espectro es la descomposición de la luz, en este caso de las galaxias, en los colores del arco iris.

Del ejemplo de la ambulancia; al frente de ella, las ondas se comprimen, estando atrás y verla alejarse, las ondas se separan; la longitud de onda aumenta.

En el caso de las galaxias, las lineas cargadas al rojo, el color de la mayor longitud de onda, indicaban que las galaxias se están alejando.

Lo que Hubble descubrió fue la expansión del universo; una prueba del Big Bang. Pocos años antes, el universo en expansión fue predicho –matemáticamente– por el físico ruso Alexander Friedman.

Pero con el efecto doppler también se descubren exoplanetas. Es el Método de Velocidad Radial. La estrella hace girar a los planetas a su alrededor, pero los planetas también tienen gravedad, aunque pequeña, logran jalar centímetros o metros a su estrella. Conforme rota el planeta a la estrella, ésta se desplaza, acorde a la posición del planeta. Al observar el espectro de las estrellas, aparecen líneas cargadas al azul, la estrella se acerca, y luego al rojo, la estrella se aleja.

Así se descubrió Próxima b, el exoplaneta más cercano a nuestro sistema solar. El planeta no se observó, sólo se detectó su presencia, delatada por su gravedad sobre su estrella.

EL ECO

En 1964 Arno Penzias y Robert Wilson de la Bell Telephone en New Jersey, probaban una nueva antena. De inmediato detectaron un ruido, un fondo de microondas, en todas direcciones y a toda hora; lo que indicaba que la fuente no era terrestre, parecía venía desde fuera de nuestro sistema solar, incluso fuera de nuestra galaxia. Revisaron su equipo y el ruido continuaba. Subieron a la antena y encontraron unas palomas bien instaladas en sus nidos. Pensaron que ellas causaban la anomalía y las echaron. Pero el ruido continuó.

Cerca de ahí, en la Universidad de Princenton, Bob Dicke y Jim Peebles escucharon de George Gamow –quien fue alumno de Alexander Friedman– que en el momento del Big Bang la luminosidad debió ser cegadora, y esa luz debería seguir en el universo; pero por haber pasado miles de millones de años y encontrarnos en expansión, la longitud de onda debió haber aumentado tanto, que habría rebasado la longitud de onda del rojo, del infrarrojo y estaría por las microondas.

Ondas alrededor de la embarcación, en ‘Huéspedes en el Extranjero’ – Nikolai K. Riorij. 1901. Galerías Tretiákov. Moscú, Rusia.

Mientras Dicke y Peebles pensaban cómo detectar esas microondas, Penzias y Wilson se enteraron del dilema y dedujeron que ellos estaban captando el Fondo Cósmico de Microondas buscado; el eco de la Gran Explosión o Big Bang.

Por tal hecho, Penzias y Wilson recibieron el premio nobel de física en 1978.

OTRAS ONDAS

Así como nuestro pato –que parece saber mucho de física– genera ondas a su alrededor, una galaxia, una estrella, un planeta o cualquier cosa en el universo al moverse, mueve el tejido espacio-tiempo circundante generando ondas gravitacionales. Pero son tan débiles, que es casi imposible detectarlas; eran teóricas, predichas por Albert Einstein.

Su descubrimiento se dio en 2015 y valió el premio nobel de física 2017 a: .

Hemos visto cómo las ondas nos muestran el origen y expansión del universo, y su actualidad; ondas similares a las del sonido que escuchamos a diario.

Regresando a la anécdota. Al ir hacia la luz roja, nuestros ojos captan ondas; al acelerar el coche, captamos ondas más y más cerca de la anterior; la longitud de onda va disminuyendo en nuestros ojos, hasta alcanzar la del verde (u otro color). El físico tenia razón … a medias. Antes de que usted decida intentarlo y violar todas las leyes de tránsito conocidas; debe saber que para ver la luz roja de color verde, su automóvil deberá viajar a velocidades relativistas, a 54,900 km/s o 197,640,000 km/h, es decir, a un 18.3% de la velocidad de la luz. Mejor, no intente violar las leyes de la física ni las de tránsito. german@astropuebla.org

SABÍAS QUÉ

Nuestro Gran Telescopio Milimétrico GTM en Puebla, observa en el rango del milimétrico, es decir, en las microondas.

El efecto doppler recibe su nombre de Christian Andreas Doppler, quien en 1842 describió el cambio de frecuencia de la onda por el movimiento de la fuente.

CURIOSO

Cuando un avión rompe la barrera del sonido, en realidad está rompiendo la acumulación de ondas al frente del avión, y las rebasa. Se escucha un boom sónico e incluso a veces puede observarse.

Aviones rompiendo la barrera del sonido

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