¿Qué ocurre con la energía cuando dos haces de luz interfieren y producen oscuridad?

En esta entrada, veremos una pregunta sobre cómo se conserva la energía cuando dos haces de luz interfieren y producen oscuridad.

Esta es una pregunta interesante, y la respuesta es bastante genial. Empecemos con un rápido repaso a la óptica básica.

Tienes razón al ser escéptico con esta idea. Cuando dos haces de luz interfieren, no dejan de avanzar. En cambio, un haz de luz es una onda, y cuando dos ondas se encuentran en el mismo lugar y al mismo tiempo (interferencia constructiva), se suman para producir una onda mayor. Sin embargo, si dos ondas se encuentran en momentos o lugares diferentes (interferencia destructiva), ¡pueden anularse por completo!

La respuesta es que cuando dos haces de luz interfieren y producen oscuridad, es porque uno de los haces está siendo absorbido por algo que se encuentra entre él y tu ojo, tal vez otro haz o algo más en su camino. No se ve ningún brillo porque todo lo que se ve es la luz reflejada a ambos lados de lo que absorbe el primer rayo: ¡ningún fotón ha llegado hasta el final!

Como probablemente sabes, la luz es una onda electromagnética.

Como probablemente sepa, la luz es una onda electromagnética. Se compone de campos eléctricos y magnéticos que oscilan en una dirección y una frecuencia determinadas; la combinación de estos dos factores determina el color de la luz.

Las ondas electromagnéticas pueden interactuar entre sí sumando o restando sus campos eléctricos y magnéticos. Esto se llama interferencia, y es lo que da a las ondas de agua sus patrones característicos en la superficie del océano: cuando dos o más ondas se encuentran, se suman para formar nuevas ondas con mayor altura (y por lo tanto mayor energía).

Lo mismo ocurre con los haces de luz: cuando dos haces se encuentran de frente (o casi), interfieren constructivamente, dándonos regiones brillantes donde antes había oscuridad.

En los patrones de interferencia, dos haces de luz se cruzan y se superponen.

Cuando dos haces de luz se cruzan, pueden sumarse o anularse. Si los dos haces tienen la misma longitud de onda, estarán en fase y se sumarán para crear un punto más brillante. En cambio, si sus longitudes de onda son diferentes (o si uno se mueve más rápido que el otro), sus ondas se anularán, creando una mancha más oscura.

Cuando dos haces de luz interfieren constructivamente, el resultado es un punto más brillante que cualquiera de los dos haces por separado.

Cuando dos haces de luz interfieren constructivamente, el resultado es un punto más brillante que cualquiera de los dos haces por separado.

La interferencia constructiva se produce cuando dos ondas se suman, como en este ejemplo:

|\ /| \ / | \ /| \ / |

+ = + = + = + =

La interferencia constructiva puede considerarse como la suma de los picos.

En el caso de la interferencia constructiva, los picos de las dos ondas se alinean de forma que sus crestas se encuentran y forman un gran pico; esto se llama interacción de refuerzo. En estos casos, el área bajo una sola cresta grande es siempre mayor o igual que bajo cualquier cresta pequeña individual.

Cuando dos haces de luz interfieren de forma destructiva, el resultado es una zona que parece oscura a nuestros ojos, porque absorbe más luz de la que emite. Por lo tanto, la interferencia destructiva parece que quita energía al sistema, pero eso no es cierto.

Cuando dos haces de luz interfieren de forma destructiva, el resultado es una zona que aparece oscura a nuestros ojos. Esto se debe a que el haz de luz se ha convertido en calor (energía térmica) al absorber más luz de la que emite. Por lo tanto, la interferencia destructiva parece quitarle energía al sistema, pero eso no es cierto. La energía sigue ahí, pero se ha convertido en otra forma.

Este fenómeno se da en muchas situaciones y también podemos utilizarlo en nuestro beneficio. Por ejemplo: si movemos el hielo bajo un rayo de luz solar en un día muy frío, veremos salir vapor del hielo porque ha absorbido suficiente calor de la luz solar para fundirse sin emitir ninguna luz visible a cambio – esto se llama «radiación de cuerpo negro». El hielo absorbe el calor a través del contacto directo con la luz solar sin emitir luz visible hacia nosotros, por lo que su temperatura aumenta hasta que todas sus moléculas de agua están en forma gaseosa a temperatura ambiente (o superior). En este caso decimos que la absorción fue la responsable de cambiar los estados de energía entre las formas sólida ↔ gaseosa ↔ líquida dentro de un objeto, en lugar de transferir toda la energía térmica disponible a otro objeto, como hace la radiación de cuerpo negro cuando se refleja en algo cercano (es decir, calienta una superficie adyacente).

Podemos ver más de cerca las ondas electromagnéticas que intervienen en la interferencia destructiva.

Cuando dos haces de luz interfieren y producen oscuridad, hay que concretar un poco más las ondas electromagnéticas implicadas.

Si las crestas de un haz se alinean con las de otro, se anulan mutuamente. Si están lo suficientemente sincronizados como para estar alineados, se ve oscuro en esos puntos. Si están desincronizados, es más brillante en esos puntos, ya que hay más ondas que chocan entre sí que si estuvieran alineadas.

Los campos eléctricos y magnéticos de la primera onda apuntan hacia arriba en cada punto del espacio (recuerda que estamos hablando de ondas transversales).

Cuando dos haces de luz interfieren y producen oscuridad, los campos eléctrico y magnético de la primera onda apuntan hacia arriba en cada punto del espacio (recuerda que estamos hablando de ondas transversales). El campo eléctrico apunta en la dirección del haz de luz. El campo magnético apunta en la misma dirección que su campo eléctrico asociado, pero es perpendicular a él y a sí mismo.

Los campos eléctrico y magnético de la segunda onda también apuntan hacia arriba en cada punto del espacio.

Los campos eléctrico y magnético de la segunda onda también apuntan hacia arriba en cada punto del espacio. Esto significa que, al igual que en el caso de la primera onda, el campo eléctrico del rayo 2 es perpendicular a su campo magnético.

Pero, ¿qué ocurre con su relación entre sí? ¿Siguen siendo perpendiculares entre sí? Sabemos que cuando estas dos ondas interfieren, producen oscuridad donde se solapan. Así que pensemos en lo que ocurre si las juntamos:

  • si te imaginas que las pones una encima de la otra (sin distancia entre ellas), entonces sí: ¡serían perpendiculares entre sí! Prueba a hacerlo tú mismo: coge dos lápices y colócalos uno al lado del otro de forma que sus puntas se toquen. Ahora sepáralos hasta que apenas puedas ver ninguno de los dos: ¿a qué distancia tuviste que separarlos para conseguir este efecto?

Pero al pasar una a través de la otra, crean este nuevo patrón que tiene una amplitud pico a pico la mitad de grande que cualquiera de los dos haces por separado (ya que se cancelan en algunos lugares). Cuando esto ocurre, lo llamamos interferencia destructiva.

La diferencia entre la interferencia constructiva y la interferencia destructiva es que en la primera, las dos ondas se suman para producir una onda mayor. En la segunda, se restan una a otra para producir una onda más pequeña.

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