Pensándolo bien...

La idea de inercia no surgió como una inspiración aislada. La ley de inercia de Newton fue el resultado de una larga transformación de la física. Primero, Galileo rompió con la idea aristotélica de que todo movimiento necesita un empuje continuo, y lo hizo a partir de sus análisis del movimiento en planos inclinados; después Descartes formuló con más claridad que un cuerpo tiende a conservar su estado y que el movimiento, por sí mismo, sigue línea recta.

Lo decisivo en Galileo fue una idea experimental y mental muy simple, consistente en que si una bola baja por un plano inclinado y luego sube por otro, tiende a recuperar la misma altura; cuanto menos inclinado esté el segundo plano, más distancia recorrerá. Llevado al límite, si el plano final fuera horizontal y no hubiera rozamiento, el cuerpo seguiría moviéndose indefinidamente. Esa fue la grieta en la física antigua, ya que el reposo dejó de parecer el estado “natural” de los cuerpos en la Tierra

Newton heredó ese problema ya abierto, pero le dio una forma más poderosa. Su primera ley es una nueva versión del principio de inercia cartesiano, pero reformulada con el concepto de fuerza impresa, por la que un cuerpo no cambia su estado porque sí, sino cuando una fuerza actúa sobre él. Ese paso fue enorme, porque convirtió la inercia en el punto de partida para reconocer cuándo hay fuerza y cuándo no la hay. En vez de preguntar “¿qué mantiene el movimiento?”, Newton pasó a preguntar “¿qué cambia el movimiento?”.

Por eso la primera ley de Newton no fue solo una ocurrencia feliz, sino una reorganización conceptual de ideas previas. Su formulación clásica en el Principia dice que todo cuerpo persevera en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, salvo que fuerzas impresas lo obliguen a cambiar ese estado. La novedad no era únicamente decir que el movimiento puede continuar sin empuje, sino unir tres cosas en una sola ley, esto es, conservación del estado, movimiento rectilíneo uniforme y papel causal de la fuerza.

También influyó mucho el contexto astronómico. Newton no estaba pensando solo en carros, piedras o bolas sobre mesas; quería una mecánica capaz de explicar también los planetas. La visita de Halley en 1684 fue decisiva para empujarlo a redactar el Principia, porque la gran cuestión era cómo relacionar las órbitas descritas por Kepler con principios dinámicos generales. Para eso necesitaba una base firme sobre qué hace un cuerpo cuando no actúa ninguna fuerza que le desvíe, esto es, seguir en línea recta con velocidad constante. A partir de ahí podía entenderse la órbita como una desviación continua producida por una fuerza, en este caso la gravedad.

Dicho de manera muy sencilla, Newton llegó a la ley de inercia porque aceptó la ruptura iniciada por Galileo, aprovechó la formulación cartesiana del movimiento rectilíneo, y dio el paso final de convertir la fuerza en la causa del cambio del movimiento. No fue una intuición surgida de la nada, sino la culminación de un cambio de mirada, esto es, el estado natural de un cuerpo ya no era estar quieto, sino conservar su estado, sea reposo o movimiento uniforme. Esa fue una de las grandes revoluciones intelectuales de la física moderna.

Cuando hablamos de fotones hablamos de los cuantos de la radiación electromagnética, que son las “unidades elementales de la luz”, desde las ondas de radio hasta los rayos gamma. En el marco del modelo estándar, el fotón es una partícula estable, sin masa en reposo y sin carga eléctrica; además, es el portador de la interacción electromagnética. Por eso la “luz” no es algo añadido a la materia desde fuera, sino que forma parte de la manera en que la materia cargada eléctrica y el campo electromagnético se relacionan. Un electrón en un átomo, una antena emisora, una estrella o una colisión de partículas pueden producir fotones porque todos ellos implican cambios en campos, cargas o niveles de energía.

La primera idea importante es que un fotón no “sale de la nada” en el sentido vulgar. Lo que ocurre es que cierta energía, almacenada o intercambiada en un sistema físico, pasa al campo electromagnético en forma cuantizada. La relación fundamental es (E=hn): la energía del fotón es proporcional a su frecuencia. Eso significa que no se emite cualquier cantidad arbitraria de energía como un fotón cualquiera, sino que la frecuencia de la radiación determina exactamente cuánta energía lleva ese fotón. La luz visible, las microondas o los rayos X son todos fotones, pero con energías muy distintas.

Una de las formas más comunes de producir fotones es la transición entre niveles de energía en átomos o moléculas. Cuando un electrón pasa de un estado de mayor energía a otro menor, la diferencia puede emitirse como un fotón; cuando absorbe un fotón adecuado, puede subir de nivel. Por eso cada elemento químico tiene un espectro característico: porque sus niveles permitidos son discretos, y las longitudes de onda emitidas o absorbidas también lo son. La espectroscopia se basa justamente en esta idea. No vemos solo “luz”; vemos una firma física de la estructura interna de la materia.

Hay otra fuente enorme de fotones, que es la temperatura. Todo cuerpo con temperatura por encima del cero absoluto emite radiación electromagnética. En objetos fríos domina la emisión en infrarrojo; en objetos muy calientes, la emisión se desplaza hacia longitudes de onda más cortas. El Sol, una resistencia eléctrica, una brasa o incluso tu propio cuerpo están emitiendo fotones continuamente. En este caso no se trata de una única transición simple, sino de una población inmensa de cargas en movimiento y de estados microscópicos que, en conjunto, producen una distribución de radiación descrita por la teoría de la radiación de cuerpo negro. La temperatura determina cómo se reparte esa emisión según la longitud de onda.

Los fotones también pueden nacer en procesos más energéticos, como es la aniquilación partícula-antipartícula, frenado de electrones, desintegraciones nucleares o colisiones en aceleradores. Cuando un electrón y un positrón se aniquilan, su energía puede convertirse en fotones gamma. En física de altas energías también se observan procesos en los que los propios fotones, en condiciones extremas, participan en la creación de nuevas partículas. Esto subraya algo importante: el fotón no es una “bolita de luz” aislada de toda la física, sino una manifestación cuantizada del campo electromagnético que puede crearse cuando la conservación de la energía, el momento y otras magnitudes lo permiten.

Desde el punto de vista más moderno, decir que “se crea un fotón” equivale a decir que el campo electromagnético adquiere una excitación cuántica concreta. Por eso en laboratorios se fabrican fuentes de fotón único mediante átomos, puntos cuánticos o cavidades ópticas: se prepara un sistema cuántico excitado y se controla su relajación para que emita exactamente un fotón, o casi exactamente uno, en un modo bien definido. Es una prueba muy tangible de que el fotón no es solo una metáfora útil, sino un objeto físico mensurable y manipulable con gran precisión.

Ahora bien, ¿de dónde “salen” físicamente? La respuesta más fina es: salen de sistemas que pierden energía o reconfiguran su estado, y esa energía pasa a la radiación electromagnética. En un átomo excitado, “sale” del cambio de estado electrónico; en una estrella, de los innumerables procesos térmicos y nucleares que alimentan el plasma; en una antena, del movimiento acelerado de cargas eléctricas; en un láser, de emisiones estimuladas encadenadas; en el universo temprano, de un plasma caliente que, al hacerse transparente, permitió a la radiación viajar libremente. La radiación cósmica de fondo es, de hecho, un fósil de aquella primera luz libre, hoy muy enfriada y desplazada hacia microondas por la expansión cósmica.

La siguiente cuestión es fascinante, porque una vez creados, ¿los fotones se propagan indefinidamente por el espacio? En el vacío ideal, un fotón libre se mueve a la velocidad de la luz y, como el fotón es estable, no “se gasta” ni se descompone espontáneamente. Si nada interactúa con él, sigue propagándose. La NASA explica este punto de manera muy clara al hablar de la energía que viaja por el espacio, ya que los fotones atraviesan el universo hasta que encuentran algo con lo que interactuar, como un detector, un átomo, polvo interestelar o nuestros propios ojos. Y la luz, a diferencia del sonido, no necesita un medio material para propagarse; puede viajar por el vacío.

Pero eso no significa que “no interactúen con nadie”. Al contrario, ya que los fotones interactúan muy bien con la materia adecuada. Pueden ser absorbidos, dispersados, reflejados o transmitidos dependiendo del material y de su frecuencia. En rayos X y gamma, NIST publica coeficientes de atenuación que cuantifican precisamente cuán probable es su interacción con la materia. Incluso los fotones pueden interactuar entre sí de forma indirecta en regímenes extremos, como han observado experimentos del LHC en colisiones ultraperiféricas. Lo que ocurre en el espacio interplanetario o interestelar es que la densidad de materia puede ser tan baja que la distancia media entre interacciones resulta gigantesca. No es ausencia total de interacción; es rareza de interacción.

Además, “propagarse indefinidamente” tampoco significa conservar intacta su energía en cualquier universo imaginable. En cosmología, la expansión del espacio estira la longitud de onda de los fotones y ese es el corrimiento al rojo cosmológico. La luz de la radiación cósmica de fondo pudo viajar libremente desde muy temprano, pero hoy esos fotones tienen mucha menos energía que cuando fueron emitidos, precisamente porque el universo se ha expandido y sus longitudes de onda se han alargado. Es decir, un fotón puede seguir existiendo y propagándose, pero su energía observada puede cambiar según el contexto gravitatorio o cosmológico.

Aquí conviene desmontar una intuición engañosa, consistente en que el fotón sería el prototipo del movimiento perpetuo. En un sentido limitado, un fotón libre ilustra muy bien la inercia relativista, ya que si nada lo absorbe ni lo dispersa, no necesita “motor” para seguir moviéndose. Pero eso no es una máquina de movimiento perpetuo. No produce trabajo por sí solo de forma ilimitada; solo transporta la energía que ya recibió al ser creado. Si un detector absorbe ese fotón, obtiene una cantidad finita de energía y de momento, no una fuente inagotable. Y si uno quisiera extraer trabajo útil de manera repetida, necesitaría reponer la energía desde algún proceso emisor. No hay violación de la termodinámica, ya que el fotón no crea energía, la lleva.

De hecho, el fotón también transporta momento lineal. Por eso la luz ejerce presión de radiación y puede empujar espejos, velas solares o dispositivos de medida ultraprecisos. NIST usa precisamente la presión de radiación para medir potencia láser, algo que sería imposible si los fotones fueran “energía sin empuje”. Esto muestra que un fotón no es una abstracción vaporosa: puede transferir tanto energía como momento a la materia. Pero, otra vez, lo hace una sola vez por interacción concreta. No actúa como un motor que se alimente a sí mismo, sino como un mensajero de energía y momento procedentes de una fuente previa.

En resumen, los fotones se crean cuando sistemas físicos transfieren energía al campo electromagnético de manera cuantizada, como ocurre en transiciones atómicas, en procesos térmicos, en reacciones nucleares, en aniquilaciones o en dispositivos cuánticos controlados. “Salen” de la materia, de campos y de procesos energéticos, no como sustancias misteriosas, sino como excitaciones elementales del campo electromagnético. Pueden atravesar el vacío durante tiempos inmensos porque son estables y no necesitan medio material, pero eso no significa que sean incapaces de interactuar; significa que, en regiones muy vacías, encuentran poco con lo que hacerlo. Y aunque un fotón libre en el vacío continúe moviéndose sin fricción, no constituye un ejemplo de movimiento perpetuo en el sentido de una fuente infinita de trabajo: simplemente conserva y transporta una energía finita recibida al nacer. Esa diferencia entre “persistir en el movimiento” y “producir energía sin fin” es la clave conceptual que evita la confusión.

Sopa de letras: LA INERCIA DE LOS FOTONES

Soluciones: INCOMPLETITUD EN QUÍMICA