Los colores de la luz y el sonido: el efecto Doppler

por Julio García.

Una de las interrogantes que hoy en día nos seguimos planteando con asombro es ¿por qué la luz tiene colores y no es puramente blanca como por lo regular creemos? Las primeras ideas para contestar a esta pregunta se remontan a las investigaciones que realizó Isaac Newton, sobre la naturaleza de la luz, en
1670, cuando, mediante un prisma triangular, “descompuso” un haz de luz solar en varios colores, provocando un efecto óptico parecido a cuando vemos un arcoíris en una tarde lluviosa. Este fenómeno físico es conocido como dispersiónrefractiva, y sucede cuando la luz blanca, que representa la suma de todos los colores, es desviada por un objeto determinado: puede ser un prisma, las gotas de lluvia que se interponen entre los rayos del Sol y nuestra retina, las nubes cargadas de polvo en una puesta de Sol en un día caluroso, o bien cualquier objeto que tenga la capacidad para mostrarnos cómo son los colores de la luz, como una lupa o un vaso de cristal colocado estratégicamente para obtener este efecto.

Si Newton le mostró al mundo que la luz blanca puede descomponerse en una gama de colores que va, por un lado, del blanco al azul y del blanco al rojo, todavía queda responder a la interrogante de ¿por qué la luz tiene esos colores? Una de las primeras respuestas la planteó más de doscientos años después del fallecimiento de Newton, el físico alemán Christian Doppler, quien en 1842, en su trabajo traducido al inglés On the coloured ligth of the binary stars and some others stars of the heavens, propuso que los colores de la luz son consecuencia de un fenómeno muy similar al que sucede con las ondas del sonido cuando éstas se acercan o se alejan de un punto de referencia determinado. Doppler estabecía con esto que, además, la luz está formada por ondas, que tienen una naturaleza electromagnética, al igual que las ondas sonoras. ¿Pero cómo podemosestablecer en términos físicos este paralelismo entre ondas de luz y ondas de sonido?

El escenario es fácilmente imaginable y lo podemos demostrar nosotros mismos a través de nuestra experiencia cotidiana: si son un tanto curiosos, les recomiendo que cuando vayan en carretera detengan su vehículo y bajen de él. A continuación sitúense al pie del camino y esperen a que pase un coche que, seguramente, irá a alta velocidad. A continuación pongan atención al sonido que producirá el motor del vehículo y verán que éste experimentará notables cambios cuando el vehículo en cuestión se acerque al punto donde están ustedes y cuando se aleje. Cuando el vehículo se acerca, el sonido producido por el motor se tornará un poco más agudo, mientras que, cuando se aleja, éste se tornará más grave. ¿Pero a qué se deben estos cambios tan repentinos en el tono del sonido si el vehículo no ha cambiado de motor en su trayecto? La respuesta tiene que ver con el hecho de que, cuando el vehículo se acerca a nosotros, las ondas sonoras que emite el motor son más cortas que cuando se aleja y cuando las ondas son más cortas, por consiguiente emiten un sonido más agudo debido a que su longitud se reduce. En cambio, cuando el vehículo se aleja del punto de referencia (que somos nosotros) entonces la longitud de dichas ondas se hace más largo provocando que el sonido, entonces, se torne más grave para nuestros oídos.

Ahora bien, pese a que la luz y el sonido se propagan por el espacio de manera distinta, ya que la luz no requiere de un medio como el sonido que lo hace a través del aire, ambos comparten algo en común: una naturaleza ondulatoria de la cual quedaron intrigados tanto Newton como Doppler, en el sentido de que, el ejemplo de la carretera, puede servir perfectamente para representar no solamente el comportamiento ondulatorio del sonido, sino también el de la luz, y no solo eso, sino comprender también porqué la luz tiene colores. ¿Por qué? Porque si en nuestro ejemplo cambiásemos sonido por luz, y si en el cofre de aquel vehículo estuviese instalado un reflector capaz de generar varios watts de potencia, y si tuviésemos además un aparato sofisticado que nos permitiese percatarnos de lo que sucede, ya que nuestros ojos solamente son capaces de “ver” en determinadas frecuencias, observaríamos que cuando el coche se acerca nuevamente a nosotros, la luz proveniente del reflector instalado en el cofre se tornaría azul, mientras que, cuando el coche se alejase nuevamente de nosotros, entonces se tornaría roja.

Este fenómeno sucede porque, al igual que con las ondas sonoras, cuando las
ondas lumínicas se comprimen hacia un punto de referencia, la longitud de onda
se torna más corta, posee por consiguiente más cantidad de energía, y por tanto, tiende a los colores azules. En cambio, cuando las ondas lumínicas se alejan del
punto de referencia, la longitud de onda se hace más larga, lo cual provoca una
pérdida de energía que se traducirá en un color rojo. En suma, cuando las ondas
lumínicas son más cortas, paradójicamente tienen mayor energía y serán azules, y viceversa: mayor longitud de onda se traducirá en una menor cantidad de energía y al final obtendremos tonos de luz más rojos. Por lo tanto, comprender el comportamiento de la luz a través de los cambios que experimenta en la longitud de onda, es entender al mismo tiempo por qué razón ésta se puede observar a partir de varios colores que son consecuencia, como ya mencionábamos, de la refracción de la luz blanca cuando pasa por un objeto determinado.

A este efecto físico, que se encuentra en la naturaleza de la luz y del sonido también, se le conoce como efecto Doppler y es utilizado en muchas áreas de la ciencia como la medicina (para obtener ultrasonidos que traducen información sonora en información visual para dar un diagnóstico del estado del feto), en astronomía (para determinar la distancia a la que se encuentran estrellas y galaxias o para conocer la edad del universo), en física (para ocuparnos de la naturaleza ondulatoria de la luz que, posteriormente, gracias a los descubrimientos de Planck, se habla de una naturaleza corpuscular de la luz y que fue el parteaguas para el nacimiento de la física cuántica), y en la aeronáutica civil y militar (para detectar, a través de radares, la posición de un avión o de un misil en el aire), solo por mencionar algunas aplicaciones.

En definitiva, comprender la naturaleza de la luz significa adentrarnos a un conocimiento más profundo de la física como lo hicieron aquellos hombres que dieron su vida por el entendimiento de estos fenómenos que, aún hoy en día, nos deben de seguir causando asombro.

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