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La luz, paradoja y claridad (Miguel Carreras)

La luz, paradoja y claridad

“Entonces Dios dijo: Hágase la luz. Y la luz se hizo. Vio que la luz era buena y separó la luz de las tinieblas”. (Génesis. Capítulo I).

Big bang 1

Big Bang

A partir de los 10-43 segundos del Big Bang, modelo cosmológico predominante, con una temperatura de 1032 K,  todos los procesos relativos a materia, radiación y fuerzas se precipitaron velozmente. La materia estaba tan densamente comprimida que la luz apenas podía viajar. El Universo era opaco. Comenzó la rápida expansión con el decrecimiento de la densidad, el enfriamiento, el desacoplamiento de fuerzas y el predominio de la materia sobre la antimateria. La luz quedó<<libre>> y el Universo se hizo transparente. Su edad, según investigaciones de la comunidad científica, es de más de 13.760 millones de años y el Génesis la estimaba en 3000. La Vida surgió, según la ciencia, hace entre 3500 y 3800 millones de años y el Homo Sapiens -incluye neanderthalensis y sapiens-sapiens- apareció en la Tierra hace unos 600000 años.

La luz es fundamental para muchos de los procesos vitales, pero no fue tan fácil comprender la naturaleza de la luz a las más preclaras mentes humanas a lo largo de nuestra historia. Dilucidar  si se trataba de corpúsculos u ondas-esa ha sido básicamente la cuestión-  marcó el desarrollo histórico de los avances en  el conocimiento científico de la luz.

 

Teorías sobre la luz

Se atribuye a Empédocles y a Euclides el alumbramiento de las primeras leyes de la reflexión de la luz, 300 años antes de la llamada era cristiana y hace mil años que Ibn Al Haytham escribió su Libro de Óptica.

Para Aristóteles, recogiendo antiguas tradiciones, el fuego constituye la luz en estado de pureza y en la naturaleza se manifiesta en forma de color, una alteración de la luz. El atomista Demócrito proponía que la luz era un conjunto de corpúsculos redondos, indivisibles, sin ninguna propiedad sensible. Platón y también los pitagóricos hablaban de rayos que parten del ojo.

Los aristotélicos consideraban la luz no como un proceso, sino como una cualidad adquirida por el medio por causa del cuerpo iluminado. No fue hasta el siglo XVII, cuando la filosofía mecánica, personalizada en Isaac Newton y Christiaan Huygens, innova las tesis cartesianas y se cimentan las bases de la Óptica moderna.

A principios del siglo XVII la pregunta que se hacían los físicos era si la luz era un cuerpo o el movimiento de un cuerpo. Un paso importante fue la aproximación de la interpretación de la luz a la del sonido, que Leonardo da Vinci alcanzó a intuir  y Galileo Galilei explicitó.

René Descartes expuso en Dióptrica, terminada de escribir en 1640, un adelanto de lo que sería la teoría corpuscular newtoniana. “La  luz no es otra cosa sino cierto movimiento o acción muy rápida y vivaz que pasa hacia nuestros ojos por medio del aire o de otros cuerpos transparentes, del mismo modo que el movimiento o la resistencia de los cuerpos que encuentra un ciego pasa hacia su mano por medio del bastón”. Sus ideas presentaban incompatibilidades con la Óptica geométrica en lo concerniente a la explicación del color.

Tras Descartes, o paralelamente, surgen nombres ilustres, verdaderos precursores de los dos modelos que van a marcar definitivamente la interpretación de los fenómenos luminosos, el corpuscular y el ondulatorio. Recordamos especialmente a Snell, Fermat, Gassendi, Grimaldi, Malebranche, Bartholin y Hooke, que profundizaron en estudios y observaciones sobre doble refracción, difracción, el éter como medio de propagación, etc.

Newton y Huygens eran, como hemos indicado, cartesianos en cuanto a la naturaleza de la luz. El primero cree en una luz corpuscular y el segundo en luz-onda. La luz para Newton estaría constituida por partículas microscópicas (corpúsculos), siendo muy relevantes en la aceptación de su modelo los experimentos sobre dispersión y los colores. Se explican bien la propagación, reflexión y refracción, pero naufragaba con las interferencias y la difracción. Escribía en Óptica:”Mi deseo en esta obra no es explicar las propiedades de la luz mediante hipótesis, sino exponerlas directamente para probarlas después por medio del razonamiento y los experimentos”. Sus tesis corpusculares se impusieron durante muchos años por el gran prestigio del autor, pero con el paso del tiempo serían desplazadas por las ondulatorias.

Newton versus HuygensSe mostró más consistente la interpretación ondulatoria de Huygens, que dejó escrito en Tratado de la luz que ésta consiste en un movimiento del material que está entre nosotros y el cuerpo luminoso y que es análoga al sonido, propagándose en un éter material, que es sede de movimientos vibratorios, según se dice en Historia de las Ciencias (Segunda parte, libro primero, capítulo IV) de René Tatón.

Augustin Jean Fresnel y Thomas Young explicaron la destrucción de ondas luminosas por interferencia, la doble refracción y la polarización y compatibilizaron la propagación rectilínea de la luz con la teoría ondulatoria. Fresnel desarrolló una mecánica de las vibraciones del éter, como medio de transmisión. Los experimentos de ambos, junto a las aportaciones de otros, como Helmholtz y Euler, apuntalaron la teoría ondulatoria en los albores del siglo XIX.

Y la consagración momentánea de esta tendencia se produjo con Jean Clerck Maxwell, con notables raizmparticipaciones anteriores y posteriores de Aragó, Hertz y Lorentz. Maxwell demostró que los campos eléctrico y magnético podían describirse mediante ecuaciones de onda y que la luz era una combinación de ondas electromagnéticas, proponiendo como medio de propagación un éter, cuyas características pueden expresarse en función de los citados campos, abandonando la idea de un éter vibrante. Se trataría de una especie de contenedor de energía, potencial y cinética. Las ondas luminosas serían oscilaciones en el seno de esa sustancia.

(Las magnitudes del denominador son la permitividad y permeabilidad del vacío).

Einstein_maxwellYa en el siglo XX, Albert Einstein, en su teoría de la relatividad restringida mostró que la luz es una onda especial que puede propagarse en el vacío, cuestión que ya asumió de alguna manera Maxwell. Pero en 1905 el mismo Einstein, para solucionar los problemas de explicación por la Física clásica referentes a la influencia de la intensidad luminosa en el efecto fotoeléctrico, adopta la teoría Cuántica de Max Planck, retornando a los corpúsculos, los quanta, después fotones, con energía específica dependiente de la frecuencia de la luz.

Posteriormente Louis Víctor de Broglie, en su doctorado, propone que toda materia lleva asociada una onda. “Cuando en 1923 descubrí las ideas fundamentales de la Mecánica ondulatoria, estaba preocupado por aclarar el misterio del doble aspecto corpuscular y ondulatorio de la luz y de la materia; y quedé muy sorprendido de ver que las concepciones que yo había elaborado tenían aplicaciones concretas en las técnicas de la difracción de los electrones y de la microscopía electrónica”, decía en una conferencia divulgativa en la Societé française des Ëclairgistes.

El físico catalán David Jou dice al respecto en su libro de poemas Escrituras del universo:

En la luz, la paradoja y la claridad,/ la donación y el desafío,/ la conciliación y la antítesis,/ la onda y el corpúsculo.

Davisson y Germer comprobaron experimentalmente que los electrones tienen comportamiento dual y después se  confirmó que los fotones, y por tanto la luz, también.

Actualmente, según resume Stephen Hawking:”La dualidad onda-partícula es un concepto de la Mecánica Cuántica, según el cual las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”. Simplificando, se puede decir que la consideración de la luz como onda explica sus propiedades macroscópicas y los fotones como partículas muchas de las características microscópicas.

Con unas estrofas del poema  del bioquímico español Francisco García Olmedo, Luz y tiempo de su libro El mar congelado. Glosas y tergiversos, concluimos este epígrafe:

 Viniste entonces tú, César, con la nueva/de que solo quedan tres segundos-luz/toda vía ocultos a la humana mirada:/lo más lejos, lo más temprano/que se ha buceado en el alba dudosa/de este universo/ Tres segundos de luz aún oscuros/ a nuestra vista./ Reducido reducto para la hiriente dimensión/ de nuestra ignorancia.

 

La luz, la más rápida

A finales de 2011, investigadores del proyecto ÓPERA, del viaje de neutrinos por los 730 km que separan los laboratorios del CERN y Gran Sasso, creyeron detectar que habían rebasado la velocidad de la luz. Poco tiempo después, responsables de ambos centros comunicaron errores ocasionados por un elemento defectuoso del sistema de fibra óptica que medía el tiempo en el experimento. Se desvanecían así expectativas y fantasías de lo que habría supuesto la violación de la teoría de la Relatividad einsteniana, que prohíbe la superación de la velocidad de la luz, una de las constantes más importantes de la Física.

Fue Galileo, muy amante de lo experimental, de los primeros en acometer la medición de la velocidad con la que la luz se desplazaba. Situó a dos de sus ayudantes entre dos colinas con lámparas que debían prender simultáneamente. Por diversos  motivos,  su empeño no tuvo éxito, concluyendo que era misión imposible. Descartes llegó a pensar que su valor era infinito.

El primer intento relevante se debe al astrónomo Ole Christensen Röemer, que, en 1676, al verificar con Cassini las tablas de los eclipses de Júpiter, determinó la velocidad de la luz con un 75% de acierto en relación al valor correcto.

Experimento de Fizeau

Experimento de Fizeau

Casi dos siglos después Armand Hippolyte Fizeau  interpuso una rueda dentada en el camino (Suresnnes –Montmartre) de un rayo luminoso hacia un espejo. Cuando gira la rueda, el rayo reflejado se encuentra con uno de los dientes y el observador deja de verlo. Al acelerar la rueda llega un momento en que el rayo reflejado puede pasar por el hueco siguiente. La velocidad de la luz se deduce de la de la rueda en ese instante, la distancia recorrida por el rayo y el número de dientes de la rueda. Así obtuvo el resultado de 313.000km/s. También demostró, con Brequet, que la luz  viaja en el agua a menor velocidad que en el aire. León Foucault realizó casi al mismo tiempo  experiencias similares, dando como resultado 298.000km/s.

El físico Albert Abraham Michelson con  el químico Edward Morley, en uno de sus empeños de medir la velocidad de la luz, demostró en un famoso experimento el resultado nulo sobre la existencia del éter, hecho que favoreció decisivamente la aceptación de la Relatividad de Einstein. Esto sucedía en 1887. El propio Michelson, un empecinado perfeccionista afortunadamente, obtuvo  en 1923 un valor en el vacío para la velocidad de la luz de 299.798km/s, que es similar al valor actual estimado.

Existen métodos modernos que  utilizan  fuentes de luz laser o diodos led, alimentados por una fuente pulsada con un oscilador. Se han encontrado así valores de más precisión, próximos al de Michelson.

Entrar en detalles de la descripción de los experimentos mencionados rebasa las intenciones de este artículo, pero es de justicia señalar el ingenio de la mente humana que en estos logros se pone de manifiesto. Algunos de ellos se exponen  didácticamente en muchos museos de ciencia de todo el mundo.

Interferometro Michelson2

Interferometro Michelson

El escritor Javier Cercas publicó en 2005 la novela La velocidad de la luz, de la que un crítico dijo: “La velocidad de la luz, esa magnitud que hace a su narrador intuir en cada paso del presente un indicio del futuro..”. Y la narradora y poetisa Aurora Luque escribió un poema con el mismo título, del que tomamos estos versos:

Hay cuerpos tan veloces en gastarse/ como tirabuzones en las olas,/ tan quemados  de pronto, tan absueltos/ de la lógica lenta de vivir/ que merecen fundar mitologías/ y renovar conceptos de destrucción y fuego./Engañaron al Tiempo/ todos los sentimientos calcinados/ a la velocidad que dicen de la luz.

 

2015 Año Internacional de la luz

Año Internacional de la luz-logo 2El 20 de diciembre de 2013 la Asamblea General de Naciones Unidas, reconociendo la importancia de la luz y las tecnologías basadas en la luz para la vida de los ciudadanos del mundo y para el desarrollo futuro de la sociedad mundial en muchos niveles, decide declarar 2015 Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz. En mayo de 2014 se constituye en España el Comité Nacional presidido por María Josefa Yzuel, catedrática emérita de Óptica en la Universidad de Barcelona.  Entre los aniversarios que se  conmemoran está el cincuentenario del descubrimiento por Robert Wilson y Arno Penzias de la radiación de fondo de microondas- un tipo de radiación electromagnética como lo son la luz visible, las luces infrarroja y ultravioleta, las ondas de radio, los rayos X y gamma-que es considerada una reliquia de la Gran Explosión. Y también los cincuenta años de que Charles Kao sentara las bases de las tecnologías derivadas de la fibra óptica. Además se celebra a Ibn Al Haytham, Fersnel, Maxwell y Einstein.

Las luces, en sus  distintos rangos de longitud de onda, son muy importantes en todas las disciplinas de la Ciencia básica. Citamos algunos ejemplos significativos.

En la Física especialmente en la Óptica y en la Fotónica, pero también en la Teórica (Relatividad, Cuántica), la de la Materia Condensada, el Electromagnetismo, la Astronomía y la Astrofísica. En la Química,  con la Espectroscopia, el análisis y  los nuevos materiales. En la Biología para el conocimiento de la vida y sus mecanismos y en la Geología, particularmente en la Cristalografía.

En el ámbito de la Medicina, además de la Oftalmología,  la utilización del láser, la fibra óptica y determinadas radiaciones en diagnósticos, terapias y cirugía ha contribuido poderosamente a la mejora de la salud de las poblaciones y a la prolongación de la esperanza de vida.

Y por supuesto en las Ciencias aplicadas y en las Ingenierías, con los logros para conseguir instrumentación- telescopios y microscopios- con mayor capacidad de aumento y resolución para observar tanto el universo macroscópico, como lo extraordinariamente pequeño, transcendental en los progresos de la investigación.

Tormenta 1

Tormenta en la Expo de Zaragoza 2008

En la vida cotidiana, desde la iluminación doméstica y el alumbrado público a las diversas y sofisticadas tecnologías de la comunicación y las asociadas a los láseres y a la fotografía, pasando por la estética, los espectáculos musicales, teatrales y  cinematógraficos y un inacabable etcétera.

En las denominadas tormentas eléctricas se visualizan imponentes luces naturales de rayos y relámpagos. Los fuegos artificiales, manifestación espectacular de luz, color y sonido, que los árabes introdujeron en Europa, son en la actualidad soporte de una boyante industria de la pirotecnia(*).

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Las Meninas de Velázquez

La luz no solo es determinante en la vida, las ciencias y la tecnología, sino en la cultura en general y en el arte en particular. Unas pinceladas como muestra: en la segunda mitad del siglo XVII, Diego Velázquez compone su obra maestra, Las Meninas (La familia de Felipe IV), en la que los focos de luz, espejos, sombras y penumbras juegan un importante papel.

En La Francia del siglo XIX la Ciencia tuvo gran impacto y los pintores impresionistas tuvieron especial consideración de la investigación óptica, concretamente de la naturaleza de la luz y las teorías de los colores.

Volviendo a España, el pintor valenciano Joaquín Sorolla desarrolló a partir de 1890 el denominado iluminismo, dominando con maestría en sus paisajes mediterráneos la luz y su resplandor. Se ha programado en Madrid, con motivo del evento, una exposición con el título Sorolla. Arte de la luz. Y un solo ejemplo más reciente: Salvador Dalí, en una de sus últimas obras pictóricas, Cuadro estereoscópico inacabado, a través de un espejo desde el que se observa su autorretrato, rinde homenaje, de algún modo, a Las Meninas.

Al principio materia y radiación conformaban el Universo y siempre han convivido e interaccionado con mayor o menor fortuna. Una parte de esa radiación son las luces de todas las gamas del espectro, tan complejas y paradójicas.

(*) Puede ser un complemento de este trabajo el artículo El color de la Ciencia.

Miguel Carreras Ezquerra.
Asociación Ciencia Viva.

 

https://www.youtube.com/watch?v=iJnxKhhUbmc (Big Bang)

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Comentarios

2 comentarios en “La luz, paradoja y claridad (Miguel Carreras)

  1. Muy interesante y didáctico el articulo

    Publicado por cdetwins | octubre 28, 2015, 6:41 pm

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  1. Pingback: Año Internacional de la Luz en Ciencia Viva para la cárcel | Ciencia Viva - diciembre 17, 2015

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