Se acaba el año y antes de que se termine me gustaría hablar sobre la luz, esto debido a que como algunos sabrán 2015 es año internacional de la luz, pero…

¿Qué es la luz?

Esta primera pregunta es la que debemos responder para poder comprender las maravillas de la luz; Hablemos un poco de la mecánica cuántica, hay varios fenómenos cuánticos que nos pueden ayudar a comprender que es la luz, primero hablemos del más importante, la dualidad de Broglie o también conocida como dualidad onda corpúsculo, nos dice que la materia se puede comportar como onda y partícula a la vez, claro que esto va en contra de lo que se creía en la física clásica, personajes como Newton nos decían que la luz eran partículas y otros como Huygens refutaban esto y decían que la luz eran ondas. Esta idea revolucionaria se fundó desde la analogía de que cada tipo de radiación tenía una partícula correspondiente; Louis-Víctor de Broglie (francés) propuso en 1924 la existencia de ondas de materia, ósea que las ondas se podían comportar como partículas y viceversa, a ese tiempo no muchos le tomaron importancia por falta de pruebas, pero unos 5 años después Albert Einstein con el experimento del efecto fotoeléctrico hizo que se le diera relevancia, Einstein decía que si fotones (partículas de luz) provenientes de una onda de luz golpeaban una placa de metal esta liberaría electrones (porque los fotones “golpean” a los electrones y los hacen caer). Entonces llegamos a la conclusión de que la luz es onda y partícula a la vez, cuando es partícula es un fotón y cuando es onda es una radiación, este incluso se puede probar con un experimento de doble rendija en el que se lanzan electrones o fotones a una lámina de metal. Otro fenómeno que podemos asociar a esto es el principio de incertidumbre de Heisenberg, y no! No es el Heisenberg de Breaking Bad… En 1925 Werner Heisenberg propuso este principio o relación, en él nos establece que a nivel cuántico es imposible determinar dos magnitudes a la vez, digamos que tenemos una partícula “x”, esta partícula por naturaleza tiene una cierta dirección y posición, si nosotros queremos medir la dirección (por ejemplo) nos daremos cuenta de que entre más acertado este nuestro resultado menos podremos tener la certidumbre de cuál es su posición, y viceversa, si queremos saber la posición no podremos saber su dirección y ahora ¿Cómo se relaciona? Pues bien, podemos deducir que cuando se sabe la dirección de la luz se comporta como onda, ya que toda radiación lleva un cierto grado de dirección, podemos ver esto en el Efecto Tyndall (que genera acez de luz) o en los lasers, en los cuales podemos notar hacia donde van o de donde provienen, y cuando se sabe la posición podríamos también decir que la luz es una onda (claro, tomando en cuenta que nunca sabemos con toda la exactitud dónde está, pero ¡viva la física estadística!) esto debido a que no se mueve “hacia todos lados” por decirlo así, es como si viéramos las ondas de como late un corazón, la continuidad que tiene hace que se note como onda, pero si capturamos solo una parte de esa onda podemos saber con exactitud dónde está la onda (partícula). Por ultimo me gustaría hablar de la superposición cuántica me imagino, que han escuchado sobre el famoso “gato de schrodinger” no? Bueno, imaginen que ponen un gato, perro, o lo que quieran que esté vivo en una caja, la cual tiene integrado un dispositivo que funciona con la desintegración de un átomo de un elemento “x”, si el átomo se desintegra suelta un veneno letal y si no se desintegra no pasa nada, ahora imagina que metes esa cosa viva a la caja, solo sabemos que la desintegración del átomo del elemento x podría desintegrarse en  5 minutos, así que metemos a nuestra cosa viva y esperamos 5 minutos, después de este lapso antes de abrir la caja el gato podría estar muerto o podría estar vivo ya que la desintegración del átomo es azarosa, y de eso se trata la superposición cuántica, las cosas pueden ser 2 cosas a la vez y manifestarse ante el observador en una de esas dos, de una manera más sencilla… es como si lanzara una moneda, y al caer en mi mano cerrara la mano, antes de ver que cayó la moneda es cara y cruz a la vez, hasta que la abro, si hacemos este experimento podríamos notar que siempre estará 50% cara y 50% cruz, ¿Cómo se relaciona con la luz? Pues… La luz es onda y partícula a la vez, pero se manifiesta a nosotros (observadores) solo de una forma, este fenómeno se puede comprobar con el premio nobel 2015 que se dio gracias al descubrimiento de la oscilación de neutrinos la cual se da por la superposición cuántica, pero ese es otro tema…

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En esta imagen podemos ver el fenómeno de dualidad. Créditos: Wikipedia/Jean-Christophe Benoist.

Como ya vimos la luz es onda y partícula a la vez, pero ¿Cuáles son sus componentes? Bien, pues son los fotones (ya mencionados) la luz se puede manifestar de distintas maneras, pero estamos acostumbrados a la “luz blanca” la cual al descomponerse a través de un prisma se transforma en 7 colores, rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, índigo y violeta (que con sus nombres en ingles forman el nombre ROY G. BIV), incluso podemos comprobar esto con el disco de Newton; Entonces sabemos que la luz está compuesta por 7 colores que al combinarlos nos da el blanco, el color de la luz, pero ¿hay otros que no vemos? La respuesta es Sí, muchos ya habrán escuchado sobre el espectro electromagnético, el cual es el conjunto de ondas electromagnéticas, los niveles más conocidos son radio, microondas, infrarrojo, visible, ultravioleta, rayos x, rayos gamma y rayos cósmicos, en este orden el primero tiene una longitud de onda mayor y el ultimo tiene una longitud muchísimo más corta (las ondas de radio son menos energéticas que las gamma), y también transmiten más energía los últimos que los primeros.

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Esta imagen muestra la amplitud, color y tamaño de cada onda del espectro visible. Créditos: vciencia.org

La luz natural transporta todos estos tipos de energía y esto nos ayuda mucho… Por ejemplo, hablemos un poco de astronomía, la clasificación de las estrellas es por su temperatura y tamaño (entre otras) pero no es tan fácil deducir la temperatura, no puedes ir hasta allá y tomarla con un termómetro, para esto se usa la luz, dependiendo de qué color sea (amarilla, blanca, violeta, roja, azul) esta tendrá una cierta temperatura promedio, un ejemplo seria que las estrellas amarillas siempre tienen menos temperatura que las rojas y que esas estrellas rojas siempre tienen menos temperatura que las azules, de hecho por eso no hay estrellas verdes, porque no hay una longitud compatible para que las estrellas sean de color verde, otro ejemplo seria… “¿Cómo sabemos que el universo se expande?” Edwin Hubble, se dio cuenta de un fenómeno llamado corrimiento al rojo este funciona por el efecto doppler (primero conocido en acústica que en óptica) para explicar esto hagamos otro experimento mental, supongamos que usted está parado en una avenida, y de repente ve que a lo lejos viene una ambulancia, por experiencia, sabe que el sonido se vuelve más agudo conforme está más cerca la ambulancia, y que al alejarse tiene un sonido más grave, es como si la onda sonora se comprimiera y estirara… pues bien, con las ondas de luz pasa exactamente lo mismo, cuando las ondas de luz se contraen toman un color azul por lo tanto el objeto que se mira se acerca, y cuando las ondas de luz se estiran toman un color rojo, por lo tanto el objeto observado se aleja, y eso es el corrimiento al rojo, otro ejemplo son las imágenes de los telescopios estas suelen venir blanco y negro, pero a través de editores se pintan ciertos elementos que componen las galaxias, estrellas, nebulosas, en colores falsos, por ejemplo, oxigeno puede ser verde, hidrogeno morado, carbono azul, etc. De hecho se intenta que sean compatibles con sus colores reales, cada elemento de la tabla periódica al ser “quemado” emite un color de luz diferente, esto debido a su espectro, la composición del propio átomo hace que se absorban y emitan colores, esto hace que a la mínima variación (decaimiento, ionización o combinación) cambien tonalidades y otras cosas, este espectro es como una huella dactilar, ningún elemento tiene el mismo y sirve para identificarlos, no es lo mismo oxígeno a oxigeno ionizado, ni tampoco deuterio que tritio. Al espectro en el cual no se notan líneas se le llama continuo, el espectro que presenta color y líneas oscuras se llama de absorción y al que presenta color oscuro y líneas de color se le llama de emisión, estos últimos dos encajan perfectamente si pertenecen al mismo elemento.

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En esta imagen se pueden mostrar los 3 tipos de espectro de los átomos. Créditos: astrofísicayfisica.com

La luz también puede ser muy dañina, al transportar luz ultravioleta puede llegar a destruir el ADN de las células de la piel y causar cáncer, pero la luz nos ha dado tantas cosas buenas…El efecto fotoeléctrico hizo que la energía solar transformara a eléctrica a través de paneles, el microondas, el radio junto con todas las telecomunicaciones, las herramientas médicas que usan luz como los rayos X y las máquinas de tomografía cerebral, incluso poder cambiar el canal del televisor, todo ello implica luz, la luz también puede causar revoluciones tecnológicas, por ejemplo, el wi-fi, que se transmite en forma de radiación es una herramienta que nos ha hecho la vida fácil, pues bien ¿imagina usted que un foco pudiera darle internet y que a donde se expanda su iluminación fuera el alcance de dicho internet? Esto ya es posible con el últimamente tan famoso “Li-fi” que funciona gracias a la luz. Otro tipo de revoluciones aún más importante que puede causar la luz es la vida misma, tan solo pongamos a pensar, nuestra producción primaria llego a basarse completamente de agricultura, todos esos frutos que provienen de la tierra no serían nada sin la luz, incluso nosotros, que evolucionamos desde el agua, todo ese plancton y cianobacterias funcionaban con luz, nosotros mismos lo hacemos, sin la luz no seriamos nada, las plantas verdes que tienen cloroplastos, los cuales tienen en los tilacoides clorofila nos dan energía química la cual transformamos a metabólica, fácilmente, sin la luz no podríamos ver nada, ya que necesitamos que la luz rebote en los objetos y podamos verlos… ¿La luz rebota? Pues sí, la luz tiene propiedades, las 4 principales (y que conozco) son difracción, refracción, reflexión (rebota) y dispersión, a continuación explicare estas.

La difracción es un fenómeno característico de las ondas, éste se basa en el curvado y esparcido de las ondas cuando encuentran un obstáculo o al atravesar una rendija. La difracción ocurre en todo tipo de ondas [ondas sonoras, ondas en la superficie de un fluido, ondas electromagnéticas (como la luz y el radio)]. También sucede cuando un grupo de ondas de tamaño finito se propaga, por ejemplo, por causa de la difracción, un haz angosto de ondas de luz de un láser debe finalmente divergir en un rayo más amplio a una cierta distancia del emisor.

La reflexión es el cambio de dirección de un rayo o una onda que ocurre en la superficie de separación entre dos medios, de tal forma que regresa al medio inicial, esta puede ser especular (superficie pulimentada) o difusa (superficie rugosa), en ella pasa otro fenómeno llamado absorción y este nos muestra cómo se da origen a los colores, según la teoría aditiva del color (no confundir con la teoría de pigmentación) solo hay 3 colores básicos azul, rojo y verde, los cuales dan origen a todos los demás, digamos que las ondas llevaran consigo estos colores, al chocar las ondas con el objeto un porcentaje del color será absorbido y otro reflejado, lo cual dará una combinación de un color especifico, en un tomate por ejemplo, se reflejan los colores que al combinarlos nos dan rojo.

La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si éstos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda. Un ejemplo de este fenómeno se ve cuando se sumerge un lápiz en un vaso con agua: el lápiz parece quebrado. También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura, de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total. Aunque el fenómeno de la refracción se observa frecuentemente en ondas electromagnéticas como la luz, el concepto es aplicable a cualquier tipo de onda.

La dispersión es un fenómeno de separación de las ondas de distinta frecuencia al atravesar un material. Todos los medios materiales son más o menos dispersos, y la dispersión afecta a todas las ondas; por ejemplo, a las ondas sonoras que se desplazan a través de la atmósfera, a las ondas de radio que atraviesan el espacio interestelar o a la luz que atraviesa el agua, el vidrio o el aire.

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En la imagen se muestra el fenómeno de absorción en material blanco, oscuro y de color. Créditos: educarchile.cl

Estas mencionadas son propiedades básicas de la luz en Física Óptica, pero hablemos de algo un poco más completo, y es que la teoría de la relatividad de Einstein toma la luz como un elemento fundamental; Primero tengamos en cuenta que la velocidad de la luz es de 300,000 km/s es lo más rápido que hay y eso es lo que nos demuestra Einstein, se pensaba primeramente que Espacio y Tiempo eran cosas separadas así como también cosas absolutas, Einstein nos dijo que eran todo lo contrario, que estaban unidos en algo llamado Espacio-Tiempo y que eran relativos, lo único absoluto era la velocidad de la luz, y cualquier cuerpo que intentara sobrepasar esta velocidad se haría más  y más lento hasta no sobrepasar la velocidad de la luz, ósea que el espacio y tiempo se deforman con la velocidad de la luz, esto hace a la luz capaz de viajar por todo el universo, este vacío o no la luz viajara y lo único que la puede detener es la gravedad gigante, así como la de un agujero negro. Esta propiedad de la luz puede causar fenómenos como los lentes gravitacionales y nos puede hacer imaginar cosas increíbles sobre el tiempo.

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Aquí podemos ver como se forman los lentes gravitacionales, sin duda un fenómeno que sin luz no sería posible. Creditos:clubcientificobezmiliana.org

Ahora pongámonos a pensar un poco… para que la luz tarde un segundo en llegar a nosotros tiene que estar a 300,000 km, ósea que pasa sacar un año luz debemos multiplicar esto por 60 para obtener minutos, y el resultado es 18, 000,000 km y si multiplicamos esto por 60 obtenemos las horas, y el resultado es 1, 080, 000,000 km, esto por 24 nos da 1 día luz, ósea 2.592×10 a la 10 km y si multiplicamos esto por 30, que son los días promedio que tiene un mes, nos da 7.776×10 a la 11 km y esto es un me luz, multipliquemos esto por 12 y tendremos un aproximado de un año luz, ósea 9.3312×10 a la 12 km, esa es la distancia a la que debemos estar para que la luz tarde un año en llegar a nosotros, y sé que como yo han escuchado que la estrella más cercana (α centauri) esta como a 4 años luz ¿Imaginan cuánto tarda la más lejana? Todas esas nebulosas, estrellas, galaxias, emitiendo luz que viaja millones y millones de kilómetros para llegar a nosotros, muchas estrellas mueren antes de que su luz nos llegue, cuando miramos al cielo es como si tuviéramos una máquina del tiempo, esos astros que vemos posiblemente ya hayan cambiado, tal vez ya explotaron, pero esa luz todavía no nos llega, de la misma manera, si algún viajero extraterrestre observara nuestro sol desde una estrella lejana tal vez todavía no habría indicios de nuestra especie; La luz podría ayudarnos a decirnos de dónde venimos, un claro ejemplo es el fondo de radiación de microondas, el cual muestra el cosmos en una temprana edad, es magnífico las tantas cosas que nos ha dado la luz. Toda nuestra historia sería incapaz de contarse sin la única cosa que nos mantiene vívidamente conectados al cosmos… la Luz, mediante la luz podemos ver hacia atrás a través de la historia entera del Universo y descubrir cómo empezó todo, aquellos antiguos rayos de luz, mensajeros de aquel pasado distante, que llevan con ellos una historia, la historia del origen del universo; Solo tienes que mirar arriba, en el cielo oscuro y capturar la luz para leer la historia del universo, ¿No es algo maravilloso? Somos parte del universo, la historia del Universo es Nuestra historia transportada en ondas de Luz, onda tras onda de luz, tan bella que contiene todos los colores del arcoíris. La Luz nos puede transportar al pasado, nos hemos vuelto virtuales viajeros del tiempo, cuando la noche cae, el universo se asoma íntimamente para que podamos observarlo, solo imagina todas esas estrellas naciendo en lugares lejanos, agonizando lentamente, todas esas galaxias girando, todas siento transportadas por estas ondas mensajeras del cosmos, a través de ellas hemos descubierto maravillas congeladas en el tiempo.

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En esta imagen se pueden apreciar 100 nebulosas, cada una capturada gracias a la luz. Créditos: omicrono.com

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