¿Qué pasa con los fotones cuando apagamos la luz?

Cuando apagamos una bombilla, la habitación queda a oscuras casi de inmediato. Sin embargo, los fotones que la lámpara ya había emitido no desaparecen de repente. Siguen propagándose por la habitación a la velocidad de la luz hasta que son absorbidos por la materia, atraviesan algún material transparente o salen de la habitación.

En otras palabras, al apagar la luz interrumpimos la emisión de nueva radiación, pero no detenemos los fotones que ya están en camino. Esos fotones continúan propagándose durante un breve intervalo. Lo sorprendente es que todo sucede en una escala de tiempo tan pequeña que, para nosotros, la oscuridad parece llegar de forma instantánea.

¿Qué ocurre cuando apagamos la bombilla?

Al accionar el interruptor, interrumpimos el suministro de energía eléctrica a la lámpara.

La fuente luminosa deja entonces de emitir nueva radiación, aunque el tiempo que tarda en cesar la emisión depende del tipo de lámpara.

Por ejemplo, el filamento caliente de una bombilla incandescente sigue emitiendo radiación electromagnética durante un breve intervalo mientras se enfría.

Pero ¿qué sucede con la luz que ya ha salido de la bombilla? Esa luz continúa propagándose.

En el vacío, la velocidad de la luz es

\[ c=299\,792\,458 \text{ m/s} \]

o, aproximadamente,

\[ c \simeq 3\cdot10^8 \text{ m/s} \]

En el aire, la luz se propaga a una velocidad ligeramente inferior. Sin embargo, para las distancias habituales dentro de una habitación, la diferencia es tan pequeña que podemos tomar la velocidad de la luz en el vacío como una excelente aproximación.

¿Cuánto tarda un fotón en cruzar una habitación?

Para hacernos una idea de la rapidez con la que ocurre todo, consideremos un fotón que recorre 4 metros desde la bombilla hasta una pared.

El tiempo que tarda en recorrer esa distancia es

\[ t=\frac{s}{c} \]

donde \(s\) es la distancia recorrida y \(c\) es la velocidad de la luz.

Sustituyendo los valores, obtenemos

\[ t=\frac{4}{299\,792\,458} \]

que equivale aproximadamente a

\[ t=1.33\cdot10^{-8}\text{ s} \]

es decir, unos 13,3 nanosegundos.

Un fotón necesita, por tanto, apenas unas pocas milmillonésimas de segundo para recorrer varios metros dentro de una habitación. En ese brevísimo intervalo puede llegar hasta una pared, un mueble, una ventana o cualquier otra superficie.

Nota. Esto no significa que todos los fotones emitidos por la lámpara hayan desaparecido al cabo de 13,3 nanosegundos. Ese valor representa únicamente el tiempo que tarda la luz en recorrer 4 metros. Algunos fotones pueden reflejarse y seguir propagándose por la habitación durante más tiempo.

¿Por qué la habitación se queda a oscuras tan rápidamente?

Si los fotones siguen propagándose después de apagar la luz, surge una pregunta inevitable: ¿por qué dejamos de verlos casi de inmediato?

La explicación está en lo que ocurre cuando la luz incide sobre las paredes, los muebles, el suelo, las ventanas y las demás superficies de la habitación.

Cuando la luz llega a una superficie, pueden producirse tres procesos principales:

• Reflexión
  La luz se refleja en la superficie, cambia de dirección y continúa propagándose.
• Transmisión
  La luz atraviesa el material y continúa propagándose al otro lado.
• Absorción
  El fotón es absorbido por el material y transfiere su energía al sistema absorbente. Según el material y la energía del fotón, este proceso puede dar lugar a excitaciones electrónicas, vibraciones moleculares u otros procesos microscópicos. La energía absorbida puede acabar contribuyendo a la energía interna del material.

Las superficies reales no son reflectores perfectos. Incluso una pared blanca refleja solo una fracción de la radiación electromagnética que recibe.

Por eso, cada vez que la luz se refleja dentro de la habitación, una parte es absorbida, otra puede transmitirse a través de determinados materiales y otra puede escapar de la habitación.

La luz disminuye con cada reflexión

Podemos verlo con un ejemplo sencillo. Supongamos que una superficie refleja el 80% de la luz incidente en cada reflexión.

Después de una reflexión, queda

\[ 0.8=80\% \]

de la cantidad inicial de luz.

Después de dos reflexiones,

\[ 0.8^2=0.64 \]

por lo que queda el 64%.

Después de diez reflexiones,

\[ 0.8^{10}\simeq0.107 \]

de modo que solo queda aproximadamente el 11% de la cantidad inicial.

Después de cincuenta reflexiones,

\[ 0.8^{50}\simeq0.000014 \]

es decir, queda aproximadamente un 0,0014%.

El resultado es claro: aunque los fotones puedan experimentar numerosas reflexiones, la cantidad de luz que permanece en la habitación disminuye con enorme rapidez.

Además, como la luz recorre varios metros en apenas unos nanosegundos, estas reflexiones se suceden a una velocidad extraordinaria. En una fracción diminuta de segundo, gran parte de la energía luminosa inicial ya ha sido absorbida por los objetos o ha escapado de la habitación.

Por eso tenemos la impresión de que la habitación se queda a oscuras de inmediato. En realidad, la luz no desaparece toda a la vez. La densidad de energía electromagnética presente en la habitación disminuye continuamente a medida que los fotones son absorbidos por las paredes, los muebles y otros objetos, o salen de la habitación.

¿Qué ocurre cuando un fotón es absorbido?

Hasta aquí hemos visto por qué la luz desaparece rápidamente de una habitación. Pero queda una cuestión más profunda: ¿qué sucede exactamente cuando uno de esos fotones llega a una superficie y es absorbido?

Cuando se produce la absorción, el fotón transfiere su energía al sistema con el que interactúa.

La energía de un fotón depende de su frecuencia:

\[ E=h\nu \]

donde \(h\) es la constante de Planck y \(\nu\) es la frecuencia de la radiación electromagnética.

En el caso de la luz visible, la absorción puede implicar transiciones entre distintos estados electrónicos de energía en átomos, moléculas o sólidos.

Una vez absorbida, esa energía no tiene por qué permanecer concentrada en una única excitación. Puede redistribuirse mediante diferentes procesos microscópicos.

Por ejemplo, puede transferirse a vibraciones moleculares, a vibraciones de la red cristalina de un sólido o a otras formas de movimiento microscópico.

En muchos materiales, una parte o la totalidad de la energía absorbida acaba transformándose en energía térmica y contribuye así a aumentar la energía interna del material.

En términos cotidianos, esto significa que la luz absorbida puede contribuir al calentamiento de un objeto.

Un ejemplo cotidiano

Imaginemos que la luz de la lámpara incide sobre una mesita de noche.

Una parte de la luz incidente se refleja. Algunos de esos fotones reflejados llegan a nuestros ojos y nos permiten ver la mesita.

Otra parte de la luz incidente, en cambio, es absorbida por el material.

Cuando esto sucede, la energía y el momento lineal transportados por los fotones absorbidos se transfieren al material.

El efecto de un solo fotón sobre un objeto macroscópico es insignificante. Sin embargo, un gran número de fotones puede transferir, en conjunto, una cantidad apreciable de energía.

¿Qué ocurre finalmente con el fotón?

Llegamos así a la cuestión central: cuando un fotón es absorbido, ¿qué ocurre con el propio fotón?

No debemos imaginarlo como una diminuta esfera material que transporta energía en su interior. Por eso, cuando un fotón es absorbido, no queda ningún residuo físico, como si se tratara de los restos de un proyectil microscópico.

En teoría cuántica de campos, un fotón es un cuanto del campo electromagnético, es decir, una excitación cuantizada de dicho campo.

Cuando el fotón es absorbido, deja de existir como fotón. Su energía y su momento lineal se transfieren al sistema con el que interactúa, de acuerdo con las leyes de conservación correspondientes.

No queda tras él ninguna envoltura vacía ni ningún otro residuo material. El fotón, sencillamente, ya no existe como excitación del campo electromagnético.

Nota. El número de fotones no es, en general, una magnitud conservada. Los fotones pueden crearse y aniquilarse en distintos procesos físicos. Sin embargo, la energía y el momento lineal deben conservarse cuando se considera el sistema completo que participa en la interacción.

Esto tampoco significa que los fotones tengan un tiempo de vida intrínseco. Un fotón que se propaga libremente por el vacío es estable.

Si no interactúa con la materia ni participa en ningún otro proceso que provoque su absorción, dispersión o transformación, puede seguir propagándose por el espacio. Por tanto, los fotones no desaparecen simplemente porque apaguemos la luz. Dejan de estar presentes en la habitación porque, en un intervalo extremadamente breve, son absorbidos por la materia o escapan de ella.

¿Sigue habiendo fotones en una habitación a oscuras?

Cuando apagamos una bombilla, la luz visible emitida por la fuente desaparece rápidamente de la habitación. Pero eso no significa que el espacio quede vacío de radiación electromagnética.

Incluso en completa oscuridad sigue habiendo fotones a nuestro alrededor. Las paredes, los muebles y los demás objetos de la habitación emiten continuamente radiación infrarroja por el simple hecho de encontrarse a una temperatura superior al cero absoluto.

En general, estos fotones infrarrojos tienen frecuencias y energías menores que los fotones de la luz visible.

A las temperaturas habituales de una habitación, la mayor parte de esta radiación térmica se encuentra en la región infrarroja del espectro electromagnético.

Podemos verlo con un ejemplo. Para un cuerpo negro a unos 20 °C, el máximo del espectro expresado por unidad de longitud de onda se sitúa aproximadamente en

\[ \lambda\simeq10\,\mu m \]

Esta longitud de onda es mucho mayor que las correspondientes a la luz visible.

Por eso nuestros ojos no pueden detectar directamente esta radiación. La habitación puede parecernos completamente oscura y, sin embargo, seguir llena de radiación infrarroja.

¿Por qué no podemos ver la radiación térmica?

La explicación está en las características de nuestros ojos. El ojo humano solo es sensible a una pequeña región del espectro electromagnético: la que denominamos luz visible.

La radiación infrarroja emitida por los objetos a temperatura ambiente queda fuera de ese intervalo. Por eso, aunque esté presente a nuestro alrededor, nuestros ojos no pueden percibirla como luz visible.

Esto no significa que sea indetectable. Simplemente necesitamos un instrumento sensible a esas longitudes de onda.

Una cámara térmica, por ejemplo, detecta la radiación dentro de determinadas bandas del infrarrojo y utiliza esas mediciones para generar una imagen que podemos visualizar. De este modo, hace perceptible para nosotros una parte de la radiación que nuestros ojos no pueden ver directamente.

Un ejemplo práctico

Imaginemos que entro en una habitación y enciendo la luz.

Puedo ver una mesa porque parte de la luz procedente de la lámpara incide sobre su superficie, se refleja y llega hasta mis ojos.

Ahora apago la lámpara.

La luz visible que ya estaba presente en la habitación continúa propagándose durante un intervalo extremadamente breve. Poco a poco, los fotones son absorbidos por las superficies o salen de la habitación.

En muy poco tiempo, la mesa deja de ser visible para mis ojos.

Sin embargo, la mesa no ha dejado de emitir radiación.

Como su temperatura es superior al cero absoluto, continúa emitiendo radiación térmica, principalmente en el infrarrojo.

Por eso una cámara térmica puede seguir detectándola incluso cuando, para nuestros ojos, la habitación está completamente a oscuras.

El cuerpo humano también emite fotones

Lo mismo ocurre con nuestro propio cuerpo. El cuerpo humano emite radiación térmica de forma continua y, por tanto, también emite fotones.

La temperatura interna del cuerpo se sitúa alrededor de los 37 °C, mientras que la temperatura de la piel suele ser más baja y puede variar considerablemente según las condiciones ambientales y otros factores.

Por esta razón, una persona puede distinguirse claramente en una imagen térmica cuando la temperatura de la superficie de su cuerpo es diferente de la del entorno.

Sin embargo, el cuerpo humano no tiene por qué ser la fuente de radiación térmica más intensa de una habitación.

Un radiador caliente, por ejemplo, puede alcanzar una temperatura superficial más elevada. En ese caso, su espectro de emisión térmica será diferente y puede emitir una mayor cantidad de energía por unidad de superficie.

¿Pueden los fotones infrarrojos salir de la habitación?

La respuesta depende de lo que encuentren en su camino.

El vidrio común de una ventana es muy transparente a la luz visible. Por eso podemos mirar a través de él. Sin embargo, su comportamiento cambia en las longitudes de onda características del infrarrojo térmico.

Alrededor de los 10 micrómetros, el vidrio común es en gran medida opaco. Por tanto, los fotones infrarrojos emitidos por nuestro cuerpo no atraviesan libremente una ventana convencional cerrada.

Una parte de esa radiación infrarroja es absorbida por el vidrio, mientras que otra parte es reflejada.

Si abrimos la ventana, la situación cambia. Parte de la radiación infrarroja puede propagarse directamente hacia el exterior.

Una vez en la atmósfera, los fotones pueden seguir destinos diferentes. Algunos son absorbidos por los gases atmosféricos o por las nubes.

Otros pueden recorrer distancias mucho mayores. Si sus longitudes de onda se encuentran dentro de las denominadas ventanas de transmisión atmosférica, pueden atravesar buena parte de la atmósfera y llegar finalmente al espacio.

En conclusión

Cuando apagamos una bombilla, los fotones que ya están presentes en la habitación no desaparecen de forma instantánea. Lo que hacemos es detener la emisión de nueva luz por parte de la fuente.

Los fotones que ya han sido emitidos continúan propagándose a la velocidad de la luz. Pueden reflejarse en las superficies, atravesar determinados materiales, salir de la habitación o ser absorbidos.

Cuando un fotón es absorbido, deja de existir como fotón y transfiere su energía y su momento lineal al sistema con el que interactúa.

La habitación queda a oscuras muy rápidamente porque las superficies reales no son reflectores perfectos. Con cada interacción, una parte de la luz visible es absorbida o sale de la habitación. En muy poco tiempo, la cantidad de luz restante se vuelve demasiado pequeña para que nuestros ojos puedan detectarla.

Pero aquí está la distinción fundamental: oscuridad no significa ausencia de fotones.

Incluso con la lámpara apagada, las paredes, los muebles, los objetos y nuestros propios cuerpos continúan emitiendo radiación térmica, principalmente en el infrarrojo.

Por tanto, apagar la luz no hace desaparecer la radiación electromagnética de la habitación.

La habitación se vuelve oscura para nuestros ojos, pero a nuestro alrededor sigue existiendo un intercambio continuo de radiación que simplemente no podemos ver.