Corpúsculos vs. Ondas
Cap.1 - Un tobogán en mi ventana
Despierto en la cama y abro los ojos, es una mañana de lunes muy soleada, la luz que ingresa por la ventana me encandila un poco pero el efecto molesto pasa rápidamente. Entonces los veo, flotando, suspendidos en el aire, la invisible brisa los agita y confunde su movimiento caótico con un flujo de partículas que van cayendo por un delicado tobogán de luz. Me hipnotiza y no puedo evitar asociar y volver a mi clase de física en la universidad...
"...Teoría corpuscular y teoría ondulatoria de la luz... ¿corpúsculos u ondas?" - así comenzó la clase de física que tenía a la Luz como protagonista. Todos teníamos algún preconcepto o conocimiento de la misma, pero casi todos desconocíamos lo misteriosa y lo complicada que podría resultar definirla. El curso transcurría y clase a clase conocíamos una nueva teoría que nos planteaba su esencia. Comenzábamos estudiándola como partícula y repasábamos puntillosamente los experimentos que lo confirmaban con irrefutable lógica. No obstante dábamos la vuelta a la página de nuestro libro y cincuenta años más tarde surgía otro nombre gigante de la ciencia demostrando que la verdad era desnudada a través de un modelo ondulatorio aseverándolo con un nuevo experimento demoledor.
Me visto, me miro al espejo y la luz vuelve a ser protagonista de mi vida, la reflexión un punto que podemos sumar a los corpúsculos.
Una vez listo apago la luz y la sombra de la cortina deja ver un patrón de sombras en la pared opuesta que me retrotrae a los patrones de interferencia, punto para las ondas.
En mi interior me río y un poco arrogante pienso, haberla estudiado tanto tiempo me hace sentir como quizás se hubiese sentido el personaje Neo cuando el mundo que lo rodea se torna todo verde en códigos de programación que fluyen como cascadas de agua en todas direcciones.
Cap. 2 - Sonrisas en el desayuno
Bajo a desayunar, mi esposa Claudia y mi pequeña Estefanía ya deben de estar listas y preparando las tostadas.
- Si te demorabas un poco más iban a pasar a buscar a Estefi y no te hubiese dado su beso de la suerte. _ En ese instante una pequeña morocha de rulos me embiste de un salto para darme un beso y un abrazo cariñoso.
-¡Papi, casi no te puedo dar tu beso! Ahora si tendrás un día lindo como el mío. _ Estefanía es todo sonrisa, sus ojos se iluminan y sus mejillas brillan de color rosado, pero lejos de pensar en la difusión de luz que produce su piel, su risa lo llena todo y es uno de esos momentos en que soy libre de la física.
- Gracias Estefanía, ahora apúrate y ve que el transporte te está esperando. _Un rayo no habría sido más rápido, allí se fue, ella corriendo y su pequeña mochila a rastras por detrás.
Ya de camino al laboratorio leo el diario mientras Claudia conduce. El semáforo nos detiene y una enorme publicidad de cine 3D nos roba la atención. Anteojos polarizados, punto para las ondas.
-Recuerda que Estefanía quiere que la lleves a ver esa película.
-Si claro, justamente en eso estaba pensando.
Cap. 3 - Tiempo para compartir
Es tarde y en el laboratorio nadie ha dejado su puesto. Acabo de llamar a Claudia para avisarle que hoy no llegaré horario para el cine. Aunque se molestó un poco comprendió. La que no iba a comprender tan facilmente sería Estefanía que tantas ilusiones tenía para esta noche.
Es así, el tiempo se nos presenta tan incuestionable como la muerte misma, y paradójicamente tal vez sea este destino fatal el que nos lleva a exigirle tiempo al tiempo. No importa cuanto hayamos compartido o cuan lejos hayamos llegado, siempre querremos otro momento más, siempre querremos llegar lo más lejos posible en este tiempo que tenemos. Entonces lo que imaginamos se vuelve fantasía, la fantasía crece con nosotros y lo incuestionable se hace cuestionable.
De niño tuve que fantasear con el tiempo y creer que era posible, que como en un reloj a cuerdas podría detener sus engranajes y retroceder sus agujas, para así, darme vuelta y encontrar a los que ya no estaban.
Jamás hubiéramos pensado que la luz podía curvarse, que la gravedad la podía afectar, que por más que subamos la linterna arriba de un tren a toda velocidad, no viajará más rápido. Sin embargo en la impenetrable muralla del tiempo comenzaban a abrirse grietas. Hoy, en este laboratorio, hemos encontrado una grieta importante y nuestro experimento puede ser el explosivo que dinamite esta muralla.
Tal vez Estefanía aún tenga chances de ir al cine esta noche.
El tunel de Luz de Ronald mallet
Ronald Mallet, físico de la Universidad de Connecticut, es el hombre que intenta traer a la realidad aquello que hasta hoy solo es materia de la ciencia ficción y asegura que viajar en el tiempo es posible. Apoyado en teoría general de la relatividad, en la que materia y energía son capaces de generar un campo gravitacional, utiliza la energía luminosa de un anillo de luz circulante para generar campos gravitacioneles que pueden distorsionar el tiempo de manera análoga a como sucede en los agujeros negros.
¿Qué es la luz?, ¿lo sabemos?
Simplemente definirla es un desafío en si mismo. Para un hombre de ciencia explicar sus secretos sería tan glorioso como para un buscador del santo grial dar con el objeto más sagrado y misterioso que existe sobre la faz de la tierra.
Durante muchos años se debatió si la luz era una onda o una partícula y los científicos se afanaban en realizar experimentos que lo avalaran. Quizás el hecho de que los científicos se hayan encolumnado en estas dos teorías y enfrentado durante tanto tiempo, se deba a que cuando más queremos ver sus propiedades de materia, menos podremos apreciar sus propiedades de onda y viceversa, es como querer ver las dos caras de una moneda al mismo tiempo. Así, si un experimento se enfoca en demostrar sus propiedades de materia, poco podrá manifestar de sus características de onda.
Los griegos creian que la luz estaba formada por pequeñas partículas (corpúsculos) que eran emitidas por fuentes de luz, estimulando la percepción de la visión después de chocar con el ojo del observador. Newton utilizó esta teoría corpuscular para explicar la reflexión y refracción de la luz. En 1670, uno de los contemporáneos de Newton, el científico danés Christian Huygens, fue capaz de explicar muchas de las propiedades de la luz al proponer que se comportaba como una onda. En 1803, Thomas Young, demostró que los haces de luz pueden interferir entre si, dando un gran apoyo a la teoría ondulatoria. En 1865, Maxwell una brillante teoría donde demostró que las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz. Por esta época, la teoría ondulatoria parecía tener bases firmes.
Sin embargo en los principios del siglo XX, Max Plank regresa a la teoría corpuscular de la luz para poder explicar la radiación emitida por los cuerpos calientes. Albert Einstein utilizó el mismo concepto para explicar la emisión de electrones por un metal expuesto a la luz (efecto fotoeléctrico). Y entonces la corpúsculos volverían a sacar ventaja; no obstante nos detendremos aquí, ya que estos conceptos son el origen de la mecánica cuántica y ameritan ser relatados con una dosis de pasión aparte.
Ref.: Serway, Fisica Moderna - Mc Graw Hill
Quizás sea uno de los inventos más impresionantes y que de mayor manera revolucionó el mundo tecnológico el que nos invite a aceptar esta idea dual de ser una onda y una partícula a la vez.
Han transcurrido tan solo 50 años desde la invención del Láser en 1960 y sus aplicaciones se multiplican por miles, cortadoras que pueden penetrar 1,25' de espesor, cirugías de ojos, semiconductores, código de barras y la fibra óptica por mencionar solo algunos pocos de sus usos más expectaculares.
Los orígenes...
En 1901 Max Planck publica un artículo bajo el nombre "Sobre la ley de distribución de energía en espectros normales". De acuerdo con sus conceptos la energía está formada por partículas llamadas cuántum; dentro de las radiaciones electromagnéticas, el tamaño de cada cuántum es directamente proporcional a su frecuencia, relación que hoy conocemos como constante de Plank.
Albert Einstein utilizó estas nociones y en 1917 publicó un artículo "Sobre la teroría cuántica de la radiación" en el cual consideraba "el fenómeno de la emisión estimulada de la radiación lumínica". Pero lo que fuera expuesto solo en teoría por Einstein no pudo ser comprobado experimentalmente con éxito sinó hasta 1928 por el científico alemán Rudolf Ladenburg dándonos una evidencia de la posibilidad de la emisión estimulada de la luz, principio fundamental del Laser que fué concebido como tal por primera vez en 1960 por Theodore H. Maiman.
La luz es solo aquello que podemos ver
La luz como la percibimos en nuestra vida cotidiana, solo representa una pequeña parte de las radiaciones bajo las cuales estamos sometidos diariamente. Mismo las mas conocidas de las radiaciones invisibles como son la infrarroja y la ultravioleta apenas están en los bordes de esta pequeña franja de radiaciones que componen el espectro visible por el hombre.
Ahora bien, la luz del sol, conocida comunmente como luz blanca es la luz resultante de todas estas radiaciones visibles juntas. Esto es fácil de ver en el fenómeno de difracción. .Cuando la luz blanca atraviesa un prisma los colores que la constituyen se hacen visibles al tomar cada uno una dirección distinta. Este es otro de los descubrimientos que se le debe al enorme Newton.Lu explicación científica de la difracción esta asociada a las diferentes longitudes de onda de cada cada color y sus diferentes velocidades de propagación en los medios. (Ver "Refracción de la luz").
En forma natural, podemos observar este fenómeno en el arcoiris donde son las gotas de agua las que se trasforman en prismas. Si tenemos suerte, podremos ver el arcoiris secundario. Este es el producto de una doble reflexion interna (la luz rebota dos veces en en interior de las gotas de agua). La particularidad de este respecto del primario es que en éste último los colores se aprecian en orden inverso.
El "espectrocospio", un recurso elemental
en sus llamas cuando se las calentaba.
El físico inglés Henry Fox Talbot (uno de los inventores de la fotografía), comenzó a sospechar algo más y hizo pasar la luz de estas llamas a través de un prisma descubriendo que en algunas sustancias los espectros eran muy diferentes...
Entonces un físico de Pennsylvania, llamado David Alter, después de investigar afanosamente la luz en numerosos gases y metales sugurió la idea de que cada elemento tenía su propio espectro.
En este momento oportuno (1859), dos físicos alemanes, Robert Wilhelm Bunsen y Gustav Robert Kirchhoff, desarrollaron "el espectroscopio"; un instrumento simple, que hacía pasar la luz a través de un estrecho orificio y luego por un prisma. El prisma extendía los colores en una franja que abarcaba todo el espectro del arco iris. La luz blanca, que contenía todos los colores, formaba una banda continua. Pero cuando sólo ciertos colores estaban presentes en la luz, los mismos aparecían como unas líneas brillantes (imágenes de la abertura), en los lugares apropiados del espectro. Así, por ejemplo, la llama de sodio, mostraría unas líneas prominentes en la región del amarillo del espectro (además de, secundariamente, las líneas para los colores menos importantes de su llama).
Aquí, al fin, había un medio rápido y conveniente de identificar a un elemento, o incluso a un compuesto. Cada elemento, según averiguaron Bunsen y Kirchhoff, tenía su propio y característico modelo de líneas espectrales, tan distintivo como las huellas digitales... Sólo había que calentar una sustancia hasta hacerla brillar, mirar luego su línea espectral en el espectroscopio, y ya se podía decir, de un simple vistazo, qué elementos estaban presentes, aunque algunos sólo apareciesen en muy pequeñas proporciones. Ref.: La búsqueda de los elementos - Issac Asimov
La luz se quiebra y nos revela uno de sus mejores secretos
Cuando un rayo que viaja a través de un medio transparente se topa con una frontera que conduce a otro medio transparente, por ejemplo del aire a una superficie de agua, parte del rayo se refleja (como cuando vemos nuestro rostro reflejado en la superficie del agua) y parte entra en el segundo medio pero con una desviación respecto de la dirección original. Entonces se dice que hay refracción.
Esto se produce debido a que la velocidad de la luz es diferente en los dos medios. Recordemos que la increíble velocidad de casi 300.000 Km. por segundo, y cuya medición le valió el premio Novel a Michelson y Morley, es para la propagación de la luz en el vacío. Pero en otros medios puede ser menor. Luego para describir el fenómeno de refracción se define el índice de refracción "n" de un medio al cociente de la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en el medio.
Atrapando la luz
Analizando la refracción de la luz se descubrió un caso particular que ocurre cuando la luz intenta pasar de un medio con índice de refracción mayor a uno que tiene un índice de refracción menor. Para un ángulo particular de incidencia, llamada ángulo critico, el rayo de luz se propagará paralelamente a la interfase. Para ángulos de incidencia mayores al crítico, el rayo se refleja en la interfase como si hubiera chocado con una superficie reflectora ideal.
La fibra óptica usa este concepto para atrapar la luz en su interior, y al igual que un chorro de agua viaja dentro de una manguera enrollada, la luz láser puede viajar dentro de las fibras ópticas rebotando en su interior mediante el fenómeno de reflexión interna.
En el link que les dejo a continuación pueden ver un experimento en el que un haz de luz común y corriente es atrapado dentro de un chorro de agua.
http://www.youtube.com/watch?v=BMG8Stpn1uc&feature=player_embedded
La década del vidrio
Con estos anchos de banda, los sistemas de fibras ópticas, pueden transmitir miles de llamadas telefónicas, docenas de programas de televisión y un gran números de datos de señales computarizadas en tan solo uno de los hilos flexibles de vidrio ultra puro, del grueso de un cabello, llamados "fibras ópticos".
Además de proporcionar anchos de banda altos, el peso de las fibras ópticas es significativamente más pequeño que los cables telefónicos convencionales. Una fibra óptica junto su camisa protectora tiene un diámetro de 0,635 cm., y aun así puede sustituir a un haz de cables de 7,62 cm., de diámetro y soportar el mismo numero de llamadas y otras señales.
En un sistema de comunicación por fibras ópticas, la información es transportada por ondas de luz en lugar del movimiento de los electrones.
De la lámpara incandescente al Tunel de Luz laser...
Comprender la naturaleza de la luz ha sido y aún hoy es uno de las más grandes ambiciones de las curiosas mentes humanas. En ella los científicos buscan las respuestas a incertidumbres de las más diversas.
Constantemente se le desarrollan y se le encuentran usos tecnológicos innovadores, de los más específicos como puede ser una soldadura laser o los espectros de absorción que permiten identificar elementos hasta un código de barras que nos identifica un producto en el supermercado.
Cuando Thomas Edison, apenas unos 200 años atrás, logró mantener encendida su primer lámpara con un filamento de carbón durante cuarenta y ocho horas ininterrumpidas el mundo cambio por completo. Y para el hombre fue de manera tanto metafórica como literal "encender la luz" ya que la cantidad de luces que las personas encenderían durante los años venideros solo se compararía con los innumerables usos y aplicaciones la tecnología le encontraría.
