sábado, 17 de mayo de 2014

Cuerpo negro

Sigamos con la desmitificación de los agujeros negros que comenzamos hace poco. Hoy me voy a ocupar de algo que cada tanto me preguntan: ¿qué es un cuerpo negro? ¿Es lo mismo que un agujero negro? ¡¿Cómo que una estrella es un cuerpo negro, si es re-brillante?! Radiación de cuerpo negro, temperatura de cuerpo negro... Es terminología que suele aparecer en explicaciones astronómicas, y no siempre resulta obvio a qué se refiere, ni su relación con las estrellas, con los agujeros negros, con la radiación electromagnética, con la Mecánica Cuántica...

La radiación de cuerpo negro es la radiación electromagnética emitida por un objeto negro que ha alcanzado un equilibrio térmico con su entorno. La expresión "cuerpo negro" puede resultar confusa, pero un cuerpo negro no es más que un objeto negro ideal. El carbón vegetal y el negro de humo son buenas aproximaciones. La intensidad de la radiación en cada longitud de onda emitida tiene una forma matemática precisa que depende exclusivamente de la temperatura del objeto. Este punto es crucial, y su descubrimiento, así como el de la forma matemática, es uno de los momentos culminantes de la Física del siglo XIX. (Ver nota sobre el tema aquí.)

"¿Pero de qué radiación me estás hablando, si es negro?" El adjetivo "negro" se debe a que, a temperatura ambiente, un cuerpo negro se ve negro, ya que casi toda su radiación está en la parte infrarroja del espectro electromagnético que, como lo esencial, es invisible a los ojos. Las estrellas son "cuerpos negros" en el sentido de la física, aunque no sean negras. A sus temperaturas de miles de grados, por el contrario, brillan intensamente en la parte visible de las ondas electromagnéticas. Lo mismo ocurre con el carbón vegetal cuando hacemos asado, ¿no? Empieza a brillar visiblemente a medida que está cada vez más caliente.

La importancia de la radiación de cuerpo negro en la Física es doble. Por un lado, sirve como referencia de la radiación emitida por cualquier objeto, aunque no esté en equilibrio con su entorno. De hecho, la diferencia sirve precisamente para caracterizar ese desequilibrio.

Por otro lado, es una herramienta conceptual fundamental en la Física teórica. Max Planck, quien en 1900 desentrañó la expresión matemática que describe esta radiación, descubrió que las vibraciones del campo electromagnético estaban cuantizadas en el interior del cuerpo negro, es decir no todas las energías estaban permitidas. Su propuesta (un "acto desesperado", según sus propias palabras) resolvió una maraña de varias décadas, que tenía el marketinero nombre de "catástrofe ultravioleta", unificando las descripciones que habían propuesto para la radiación de cuerpo negro otros genios del siglo XIX: Jozef Stefan, Ludwig Boltzmann y Wilhelm Wien. En 1905 Albert Einstein propuso que el campo electromagnético mismo (fuera del cuerpo) estaba también cuantizado como proponía Planck, y que esto explicaba un misterio del fenómeno fotoeléctrico. Este descubrimiento le valió a Einstein el Premio Nobel de Física en 1921. No, no fue por la Teoría de la Relatividad como suele creerse. Estos dos descubrimientos abrieron la puerta para la más profunda revolución en la Física desde el Renacimiento, o tal vez desde los Griegos, la Mecánica Cuántica, sobre la que se basa íntegramente nuestra civilización tecnológica.

¿Y los agujeros negros? Los agujeros negros son cuerpos negros casi perfectos, emitiendo radiación que eventualmente los haría desaparecer, evaporarse. Su temperatura depende de manera inversa con la masa, de manera que los más chiquitos son más "calientes", y se evaporarían más rápido. Los gigantes que viven en el corazón de las galaxias, con masas enormes, son muy "fríos", radian poco, y serían longevos. Por ahora, sin embargo, ninguna de estas características de los agujeros negros ha sido verificada mediante observaciones (mayormente porque lo que vemos es la radiación del disco de acreción, y no la radiación de cuerpo negro emitida por el agujero propiamente dicho).

Seguiré en otro momento, por ahora basta esta pastillita...

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