Cómo viaja la luz a través del universo sin perder energía

Una noche, en mi patio trasero de San Diego lleno de contaminación lumínica, tenía mi telescopio preparado para astrofotografía y lo apunté hacia una galaxia increíblemente distante. Cuando la primera imagen apareció en la pantalla de mi tableta, mi esposa, Cristina, se acercó.

“Esa es la Galaxia del Molinete,” le dije —llamada así por su forma espiral y hogar de aproximadamente un billón de estrellas.

La luz de esta galaxia había viajado una asombrosa cantidad de 25 millones de años—aproximadamente 150 quintillones de millas—hasta finalmente alcanzar mi telescopio.

Cristina hizo una pregunta que dio pie a una conversación más profunda: “¿La luz no se cansa en un viaje tan largo?”

Esa curiosidad abrió la puerta a una pregunta importante y fascinante: ¿Por qué la luz no pierde energía con el tiempo?

Comprendiendo la naturaleza de la luz
Como astrofísico, una de las cosas más contraintuitivas que aprendí es cómo se comporta la luz. La luz es radiación electromagnética —esencialmente una combinación de ondas eléctricas y magnéticas que se mueven por el espacio. No tiene masa, y eso es clave. Cualquier objeto con masa, ya sea diminuto o enorme, está limitado en cuanto a la velocidad a la que puede viajar.

Como la luz no tiene masa, viaja a la velocidad límite del universo: 186.000 millas por segundo (300.000 kilómetros por segundo), lo que equivale a casi 6 billones de millas por año. Es tan rápida que una partícula de luz podría dar más de dos vueltas a la Tierra en el tiempo que se tarda en parpadear.

Aun así, incluso a esa velocidad, las distancias cósmicas son enormes. La luz del Sol tarda poco más de ocho minutos en llegar a la Tierra. La estrella más cercana más allá de nuestro Sol, Alfa Centauri, está tan lejos que su luz tarda cuatro años en llegar aquí —por eso decimos que está a “cuatro años luz de distancia”.

Dadas esas distancias, la pregunta de Cristina se vuelve aún más intrigante: ¿cómo puede la luz viajar durante millones de años sin perder energía?

¿La luz pierde energía alguna vez?
Parte de la luz sí pierde energía —por ejemplo, cuando se dispersa al chocar con polvo interestelar—. Pero en la mayoría de los casos, la luz viaja por el espacio sin interrupciones. Como el espacio está casi completamente vacío, no hay nada que la frene. Mientras la luz no interactúe con la materia, seguirá avanzando a toda velocidad, conservando su energía.

El tiempo y la luz: una relación extraña
Consideremos el tiempo. Imagina que eres un astronauta a bordo de la Estación Espacial Internacional, moviéndote a 17.000 millas por hora. Tu reloj avanzaría un poco más lento —alrededor de 0,01 segundos por año— comparado con el de alguien en la Tierra. Eso se llama dilatación del tiempo: el tiempo fluye a diferentes ritmos según la velocidad y la gravedad.

Ahora imagina que viajas montado en un fotón, la partícula básica de la luz. Desde tu perspectiva, el tiempo no solo se ralentiza: se detiene por completo. Para el fotón, el tiempo está congelado, aunque los observadores en la Tierra lo vean moverse a la velocidad de la luz.

Además, el propio espacio se comporta de manera diferente a tales velocidades. Cuando se viaja cerca de la velocidad de la luz, las distancias se contraen en la dirección del movimiento. Para el fotón, su viaje desde la galaxia hasta la Tierra ocurre en un instante. El espacio se comprime y el trayecto se vuelve infinitamente corto y rápido.

La ilusión de la distancia
Eso nos lleva de nuevo a la Galaxia del Molinete. Desde el punto de vista del fotón, el momento en que fue emitido por una estrella y el momento en que impactó en mi telescopio ocurrieron simultáneamente. Su viaje de 25 millones de años luz no pareció un viaje en absoluto: fue instantáneo.

Desde la Tierra, percibimos que la luz viajó durante millones de años a través del espacio antes de llegar a mi telescopio. Pero para el fotón, no experimentó ni tiempo ni distancia.

Y en esa fresca noche de primavera, cuando la luz de una galaxia a 25 millones de años luz iluminó un solo píxel en mi pantalla, despertó una pregunta simple pero profunda—y un hermoso momento de asombro cósmico compartido entre una esposa curiosa y su esposo amante de la ciencia.

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