El universo está continuamente atravesado por ondas de todo tipo. Existen ondas hasta en el propio espaciotiempo. Tanto es así que es prácticamente imposible intentar conocer algún aspecto relevante del universo desde una perspectiva moderna sin poseer unos conocimientos básicos de lo que son las ondas. Esto es lo que pretendemos proporcionar en esta serie que hoy comenzamos, como siempre centrándonos en las ideas y empleando solo las matemáticas estrictamente imprescindibles y que no superen a las que se enseñan en la enseñanza secundaria obligatoria.

Antes de pensar en el universo en su conjunto quedémonos en una parte de él más familiar para las personas, la superficie del planeta Tierra. Estamos familiarizados con las ondas en el agua, ya sean las olas que llegan a Mundaka y que hacen las delicias de los surferos o las que forman las gotas de lluvia al caer sobre un charco. Pero no todas las ondas se producen en medios líquidos. También estamos familiarizados con el hecho de que los desplazamientos de la corteza de la Tierra causan temblores a miles de kilómetros de distancia producidos por ondas que se desplazan en un sólido. Y cuando un músico toca una guitarra, las ondas de sonido llegan a nuestros oídos tras desplazarse por el aire, un gas. También conocemos que las perturbaciones de las ondas pueden venir en forma de haces concentrados, como el frente de choque de un avión que vuela a velocidades supersónicas. O hacerlo en sucesión como el tren de ondas enviado desde una fuente en constante vibración, como una campana o una cuerda.

Todos los ejemplos anteriores son ondas mecánicas, en las que los cuerpos o las partículas se mueven físicamente de un lado a otro. Pero sabemos que existen ondas en campos eléctricos y magnéticos. Estas ondas son las responsables de lo que experimentamos como rayos X, la luz visible o las ondas de radio. Nos centraremos en la primera parte de la serie en las ondas mecánicas para tratar después las electromagnéticas.

Quizás contraintuitivamente, en todos los casos, los efectos de las ondas que observamos dependen del flujo de energía, no del de materia. Esto es importante: Las ondas son modos de transferencia de energía sin transferencia de materia.

Supongamos que dos personas sostienen los extremos opuestos de una cuerda tensa. De repente, una persona mueve la cuerda arriba y abajo rápidamente una vez. Eso «perturba» la cuerda y produce una “deformación” en ella que se desplaza a lo largo de la cuerda hacia la otra persona. La deformación viajera es un tipo de onda llamada pulso.

Originalmente, la cuerda estaba inmóvil. La altura sobre el suelo de cada punto de la cuerda dependía solo de su posición a lo largo de la cuerda y no cambiaba con el tiempo. Pero cuando la persona sacude la cuerda se crea un cambio rápido en la altura de un extremo. Luego, esta perturbación se aleja de su fuente y se desplaza por la cuerda hasta el otro extremo. La altura de cada punto en la cuerda ahora depende también del tiempo, ya que cada punto oscila hacia arriba y hacia abajo y vuelve a la posición inicial a medida que pasa el pulso. La perturbación es, por lo tanto, un patrón de desplazamiento que se mueve a lo largo de la cuerda. El movimiento del patrón de desplazamiento desde un extremo de la cuerda hacia el otro es un ejemplo de onda. La sacudida de un extremo es la fuente de la onda. La cuerda es el medio en el que se mueve la onda.

Consideremos otro ejemplo. Cuando una piedra cae en un estanque tranquilo, aparecen una serie de crestas circulares y valles que se extiende sobre la superficie. Este patrón de desplazamiento en la superficie del líquido es una onda. La piedra que cae es la fuente; el patrón en movimiento de crestas y valles es la onda; Y la superficie líquida es el medio. Las hojas u otros objetos que flotan en la superficie del líquido suben y bajan a medida que pasa cada onda. Pero en promedio no experimentan ningún desplazamiento neto. No se ha movido materia alguna desde la fuente de la onda junto con la onda, ya sea en la superficie o entre las partículas del líquido; solo se ha transmitido la energía y el momento contenidos en la perturbación. Lo mismo aplica a las ondas en una cuerda, a las ondas de sonido en el aire, o a las ondas sísmicas en un terremoto, etc.

Cuando cualquiera de estas ondas se mueve a través de un medio, la onda lo que produce es un desplazamiento que cambia en el tiempo de las partes sucesivas del medio. Por ello, podemos referirnos a estas ondas como ondas de desplazamiento. Si puedes ver el medio y reconocer los desplazamientos, entonces puedes ver las ondas. Pero también pueden existir ondas en medios que no puedes ver tan fácilmente, como el aire limpio; o pueden formarse como alteraciones de algo que no puedes detectar sin la ayuda de instrumentos específicos, como la presión o el campo eléctrico.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance