Si los fotones no tienen masa, ¿dónde almacenan la energía?

Es cierto que tiene dificultad comprender que algo que no tiene masa sí pueda tener energía. Pero, por ejemplo, si te imaginas una onda expansiva lo entenderás. Una persona que esté cerca de una explosión siente esa onda expansiva, siente que una fuerza enorme la empuja hacia atrás. Esa onda o perturbación no tiene masa, la tiene el medio por el que se propaga, pero sí tiene energía, no la ves pero sientes esa energía que te ha empujado hacia atrás. Eso es lo primero que tenemos que tener claro, las ondas tienen energía. La luz también es una onda, así que tiene energía.

La masa es una magnitud que usamos en física para expresar la cantidad de materia que tiene un cuerpo en reposo. Y es cierto que la luz en reposo no tiene masa. Pero la luz no puede estar en reposo, siempre está moviéndose a la misma velocidad, una velocidad que cuando la luz se propaga en el vacío llamamos c, esos 300.000 kilómetros por segundo. Pero es un error asociar siempre la energía a la masa. Aunque asimilarlo sea difícil y más aún en el caso de la luz.

Para entenderlo debes saber que, además de una onda como ya hemos visto, la luz es también un corpúsculo. Antes de la física moderna, los físicos y las físicas habían visto con experimentos que la luz se comportaba como una onda pero Albert Einstein, basándose en los trabajos de Planck, se dio cuenta de que también actuaba como una partícula a la que se llamó “cuanto de luz” y que es lo mismo a lo que hoy llamamos fotón. Precisamente de la ecuación más famosa de Einstein, aquella de E=mc², es de dónde viene tu pregunta porque esa ecuación dice que la energía de un cuerpo en reposo (E) es igual a su masa (m) multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado (c²). Como esta ecuación necesita la masa para determinar la energía, puede llevar a pensar que un sistema sin masa no puede tener energía pero no es así. La ecuación anterior solo es aplicable para partículas en reposo y la luz no lo está. Y aquí llegamos a la segunda característica de los fotones que nos permite entender su energía. Como te explicaba al principio, están siempre en movimiento, no paran quietos. Y en ellos, la energía les viene precisamente de ahí, del propio movimiento.

En física, a la cantidad de movimiento la llamamos momento lineal y de ese momento lineal es de dónde le viene la energía a los fotones. Para hallarla sustituimos la masa (m) de la ecuación de Einstein por el momento lineal (que en las ecuaciones llamamos p) y así obtenemos la cantidad de energía del fotón. Y eso hace que haya fotones como los de la luz visible, la que son capaces de captar nuestros ojos, que tienen una energía 10.000 veces menor que, por ejemplo, los que hay en los rayos X, o millones de veces menor que la de los rayos gamma que producen los elementos radiactivos.

Pascuala García Martínez es doctora en Física, catedrática de Óptica de la Universitat de Valencia.

Pregunta realizada vía email por Bernardo Collado López

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