La definición más básica y simple de una onda es que es una perturbación en un medio. Entonces, ¿en qué consisten las perturbaciones de las ondas no mecánicas? ¿El éter? Explíqueme esta pregunta en detalle de la manera más simple posible porque estoy en la escuela secundaria.
Suena como una pregunta simple. Pero pensarlo detenidamente y hacer mediciones cuidadosas lleva a direcciones muy inesperadas, como la Relatividad Especial.
Comencemos con un electrón. Llámalo A. Está cargado, por lo que ejerce una fuerza sobre cualquier otro electrón cercano, B. Dejamos A en un lugar fijo. La magnitud y dirección de la fuerza sobre B depende de dónde se encuentre B.
Dada cualquier ubicación x, podemos calcular la fuerza que sentiría B si estuviera en x. A llena todo el espacio con la posibilidad de una fuerza sobre B. Podemos calcular la posible fuerza sin que B esté presente. Decimos que A llena todo el espacio con un campo de fuerza. Un campo de fuerza es una abstracción matemática que nos dice cómo funcionan las fuerzas. Puede que no haya nada más que vacío alrededor de A.
Un campo eléctrico es muy parecido a un campo de fuerza. La fuerza sobre B es proporcional a la carga sobre B. Queremos algo que solo dependa de A. Entonces dividimos la fuerza por . Ese es el campo eléctrico creado por A.
Resulta que el campo eléctrico es una herramienta muy útil, especialmente cuando las cargas se mueven. Las cargas en movimiento también crean un campo magnético. Lo dejaremos de lado, ya que es muy parecido al campo eléctrico.
Supongamos que A se mueve de un lado a otro, mientras que B está fijo. Entonces la fuerza sobre B cambia cuando A se mueve. Pero B no siente el cambio de fuerza de inmediato. La "noticia" de que A se ha movido viaja a la velocidad de la luz.
Matemáticamente, es sencillo describir las oscilaciones del campo eléctrico que viaja a la velocidad de la luz. Cuando las oscilaciones llegan a B, te informan sobre las fuerzas en B.
Es muy fácil pensar en el campo eléctrico como una cosa en lugar de una abstracción matemática. Después de todo, se mueve y transporta información. Existe un paralelismo tan fuerte entre el campo abstracto y las fuerzas físicas sobre los electrones, que la gente piensa que son lo mismo. Puedes ver que eso sucede en esta publicación. ¿Es correcto decir que las ondas electromagnéticas no requieren un medio? Y esto está bien. Funciona.
Pero se vuelve confuso cuando preguntas qué está ondeando.
En la década de 1800, los físicos esperaban que si los campos eléctricos tienen ondas, alguna sustancia debe transportar esas ondas. Llamaron a la sustancia éter y trataron de averiguar cuáles debían ser sus propiedades.
Las propiedades eran extrañas. El éter lo impregna todo. No tiene masa. Etcétera. Las propiedades extrañas y contrarias a la intuición están bien. Los físicos de hoy creen en propiedades muy extrañas y hacen experimentos para demostrar que son correctas.
La idea tuvo problemas alrededor de 1900. A medida que la Tierra orbita alrededor del sol, se acerca a una estrella y luego se aleja de ella. Si la luz es un campo electromagnético oscilante que viaja a través del éter, deberíamos medir una mayor velocidad cuando nos acercamos a la estrella. Michelson y Morley intentaron medir la diferencia de velocidad y no pudieron hacerlo. Se intentaron varias estratagemas para explicar las cosas. Nada funcionó hasta que la Relatividad Especial lo explicó sin éter.
Hoy decimos que nada está ondeando.
Tu premisa es correcta. Las ondas no tienen por qué ser una perturbación en un medio . Por ejemplo, ondas no mecánicas, como acabas de decir.
Pero es erróneo suponer que se trata de una perturbación en el éter. Son oscilaciones de un campo . Por ejemplo, las ondas electromagnéticas son perturbaciones en los campos eléctrico y magnético (como los dos son perpendiculares, las oscilaciones también lo son. Con una transformada de Fourier, podemos demostrar que son ondas sinusoidales). Espero que ayude. Soy nuevo en SE, así que no estoy seguro de cuánto es suficiente.
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