¿La luz puede ejercer fuerza sobre la materia?

Cuando estaba en el instituto, mi profesor de física me dijo que la luz no ejerce ninguna fuerza sobre los objetos. Fue una revelación interesante y decepcionante a la vez: interesante porque es cierto, y decepcionante porque me pareció un enorme descuido de la comunidad científica. ¿Cómo pueden los fotones atravesar todo sin cambiar nada? Si la luz no ejerce fuerza sobre los objetos, ¿cómo funciona la gravedad? (Respuesta: la gravedad es una fuerza ejercida por la materia).

Ahora que todos tenemos smartphones con cámaras incorporadas, han ocurrido dos cosas: En primer lugar, hemos tomado millones de fotos; en segundo lugar, la gente se ha dado cuenta de que este fenómeno -un fotón que interactúa con la materia- realmente ejerce algún tipo de presión sobre lo que golpea. Así que vamos a hablar de ello.

La luz ejerce una fuerza sobre las cosas que encuentra, pero la fuerza es extremadamente débil.

Si se piensa en ello, la pregunta es extraña. La luz de una habitación ejerce una fuerza sobre la materia de esa habitación, y nosotros estamos rodeados de materia todo el día, todos los días. El problema para entender esta propiedad de la luz es que la fuerza que ejercen los fotones (las partículas individuales de la luz) sobre otras partículas es extremadamente pequeña. Esto hace que sea muy difícil de medir y aún más difícil de explicar matemáticamente sin recurrir a algunas ideas bastante abstractas como la teoría cuántica de campos.

La mejor manera de ilustrar la debilidad de esta fuerza es mediante un ejemplo: imagine una balanza con dos pesos idénticos colocados en los extremos opuestos y sin nada más (ni siquiera el aire). Ahora intente añadir un solo fotón entre ellas; no tendrá ningún efecto en sus posiciones relativas porque los fotones tienen muy poca masa. Un fotón pesa menos de 10-19 kg (10-19 gramos). Nuestras balanzas de peso no son lo suficientemente sensibles como para detectar fuerzas tan pequeñas; incluso si lo fueran, nuestro sentido del tacto tampoco detectaría diferencias tan sutiles.

La fuerza que ejerce la luz es electromagnética.

Empecemos por recordar que la luz está formada por fotones, que son pequeñas partículas de energía. La fuerza que ejerce la luz es de naturaleza electromagnética. Esto significa que tiene componentes eléctricos y magnéticos, que actúan sobre objetos cargados como tú y yo.

Además, el término “radiación electromagnética” se refiere a cualquier onda cuyas partículas tienen un componente eléctrico y otro magnético. Así, cuando hablamos del espectro electromagnético -un término que engloba todos estos tipos de ondas-, la luz es sólo un ejemplo, junto con las ondas de radio, la radiación infrarroja (que puede calentar la piel), las microondas (utilizadas para los radares), la radiación ultravioleta (que provoca quemaduras solares), los rayos X y los rayos gamma.

Además de los campos eléctricos y magnéticos que componen una onda electromagnética, la luz también puede estar polarizada: su campo eléctrico oscila a lo largo de un solo eje a la vez en lugar de estar distribuido uniformemente en todas las direcciones como lo haría una onda transversal típica si no tuviera ninguna polarización (como las ondas en el agua o el sonido).

Las fuerzas que ejerce la luz son desiguales en los distintos lados de un objeto.

Cuando miras un haz de luz, en realidad estás mirando los fotones (partículas) que componen ese haz. Estas partículas ejercen lo que se llama una fuerza electromagnética sobre otros objetos a través de sus campos eléctricos y magnéticos. La fuerza electromagnética es igual a la tasa de cambio de momento en la dirección de la luz, o F = dp/dt = d(mv)/dt = p(v). Si reordenamos esta ecuación, obtenemos

F = p(v)/m

Se puede calcular la fuerza neta sobre algo iluminado por un haz de luz.

Se puede calcular la fuerza neta ejercida sobre una partícula por un haz de luz. Para calcular la fuerza neta, hay que encontrar la suma de todas las fuerzas que actúan sobre la partícula. Lo mismo ocurre con el cálculo del cambio de momento, velocidad o aceleración: hay que encontrar todas las fuerzas que actúan sobre un objeto y sumarlas.

Los términos de Newton “calentamiento” y “presión” han sido sustituidos por el término presión de radiación.

Como se sabe, el término “presión de radiación” fue acuñado por Newton. Lo utilizó para describir cómo la luz solar podía ejercer una fuerza sobre los objetos que bloqueaban su trayectoria o absorbían su energía. El calentamiento es otra forma de describir este mismo efecto. En ambos casos, la luz transfiere parte de su impulso al objeto como resultado de las colisiones entre los fotones y los electrones de ese objeto.

La presión de la radiación es más precisa porque describe una interacción entre la materia y la radiación electromagnética (luz). Como tal, abarca todos los tipos de radiación electromagnética independientemente de su frecuencia o longitud de onda: rayos X, infrarrojos, luz visible…

La fuerza neta ejercida por la luz sobre un objeto aumenta a medida que el objeto se hace más pequeño.

Para determinar la aceleración de un objeto debida a la luz, primero tenemos que saber qué tipo de fuerza neta ejerce un rayo de luz sobre él. Para responder a esta pregunta, empecemos por la tercera ley de Newton: para toda acción hay una reacción igual y opuesta. Si la luz ejerce una fuerza neta sobre un objeto determinado, éste debe ejercer a su vez una fuerza neta igual y opuesta. Esto se puede expresar matemáticamente como:

`

La luz ejerce presión sobre los objetos que la absorben o la reflejan.

Acabas de leer un artículo que describe cómo la luz ejerce fuerza sobre los objetos. Es interesante ver lo mucho que podemos aprender sobre el mundo si pensamos en las cosas de forma diferente, haciendo preguntas tan básicas que pueden parecer tontas (pero no demasiado básicas). (En este caso, nos preguntamos si la luz puede ejercer una fuerza sobre la materia como lo hacen otras formas de radiación. Y resulta que sí. La luz ejerce una pequeña fuerza sobre los objetos que la absorben o reflejan, de acuerdo con la tercera ley del movimiento de Newton: Para cada acción hay una reacción igual y opuesta.

Conclusión

La luz ejerce una fuerza sobre los objetos que la absorben, y la fuerza es proporcional a la intensidad de la luz. Un haz de luz puede considerarse como un flujo de pequeñas balas que viajan a una velocidad determinada. Como cada fotón tiene un momento, estas partículas pueden ejercer presión sobre los objetos que encuentran. La presión de la luz solar no derribará tu casa ni hundirá tu barco, pero hay muchos otros casos en los que la presión de la radiación desempeña un papel importante en la naturaleza.