La luz: fuente de energía y de conocimiento

Iñaki Salaverría
Estudiante de física

Fotografía: Sara Alonso

La luz, además de ser imprescindible para poder ver el mundo que nos rodea, paradójicamente esconde muchos secretos. A pesar de que la luz la vemos y la sentimos a diario, la gente en general no conoce todo lo que está detrás de este fenómeno. El estudio de la luz nos ha ayudado a avanzar en teorías de lo más anti-intuitivas, como veremos en este artículo. Pero empecemos por el principio… ¿acaso sabemos realmente qué es la luz?

¿Qué es la luz?

En términos físicos, la luz es considerado como parte del campo de las radiaciones conocido como espectro electromagnético, mientras que el término luz visible (lo que a pie de calle se conoce como luz) se refiere específicamente a la radiación en el espectro visible. En el espectro electromagnético las ondas electromagnéticas se clasifican en base a su energía (E), o lo que es lo mismo, en base a su frecuencia (v) o longitud de onda (λ). La relación de estas tres magnitudes viene dada por la ecuación de Einstein,

siendo c la velocidad de la luz en el vacío h la constante de Planck, de la cual hablaremos más adelante. Por lo tanto, nosotros, por medio de nuestros ojos, sólo somos capaces de captar una pequeña fracción de la radiación electromagnética que nos llega.

La interpretación que hacemos de la luz.

¿Qué me dirían si les dijese que nuestra visión del mundo es una especie de ilusión? En gran parte es así, puesto que nuestra percepción visual está limitada y eso nos impide “ver” el mundo tal y como es. El cerebro humano interpreta esas ondas electromagnéticas del espectro visible en modo de colores, es decir, que cada color corresponde a una onda con una energía concreta. De hecho, cuando decimos que el césped es verde, en realidad lo que está sucediendo es que la luz solar al interaccionar con él, este absorbe todas las ondas electromagnéticas salvo las correspondientes a las del color verde, que son las que terminan entrando por nuestra pupila. Por lo que podríamos decir que el color del césped es de todo menos verde. El mundo que nosotros percibimos no deja de ser una interpretación que hacemos nosotros de él, una especie de ilusión.

Y ahora te preguntarás por qué el humano sólo es capaz de interpretar un rango de longitudes de onda tan pequeña. La explicación la tenemos en nuestra mayor fuente de energía: el Sol. Esta estrella alrededor la cual orbita la Tierra, irradia energía en todas las longitudes de onda. La intensidad con la que irradia en cada longitud de onda la podemos ver en el siguiente gráfico:

Gráfico 1: en este gráfico se puede observar como la parte del espectro de mayor flujo (intensidad) coincide con el espectro visible, que es el que puede interpretar en modo de colores el ser humano.

En el eje horizontal se indican los diferentes tramos dentro del espectro electromagnético: UV (ultravioleta), VIS (espectro visible) e IR (infrarrojo). En cambio, en el eje vertical se indica el flujo de energía que emite el sol, el cual está directamente relacionado con la intensidad de la luz.

En el gráfico podemos observar cómo la intensidad varía teniendo un máximo de intensidad para cierto rango de longitudes de onda. ¿Y cuáles son esas ondas electromagnéticas? Precisamente la del espectro visible. Es decir, que el ser humano ha evolucionado de tal manera que nuestra visión está perfectamente diseñada para interpretar las ondas de mayor energía, aumentando así nuestra visión. Qué maravillosa es la evolución.

Objetos emisores de radiación.

Algo que muchos no saben es que la radiación electromagnética no es una propiedad exclusiva de cuerpos celestes como estrellas: todos los cuerpos y objetos del universo emiten radiación. Sí, efectivamente, nosotros también. Aunque a priori pueda sonar extraño, todo cuerpo por el mero hecho de tener temperatura no nula irradia energía por medio de ondas electromagnéticas. A medida que la temperatura del cuerpo aumenta, la intensidad con la que este emite en cada rango de ondas varía. Claro está, nosotros somos capaces de ver, por ejemplo, a otras personas porque la luz que nos llega es, casi en su totalidad, la luz solar que ellos reflejan. Por poner un ejemplo: una barra de hierro a temperatura ambiente diríamos que no emite radiación, al menos no que nosotros podamos percibir. Es decir, que no emite (casi) radiación en el espectro visible. Pero ¿y si lo calentamos? La barra de hierro al calentarse “coge” un color rojizo que es precisamente el color correspondiente a las ondas electromagnéticas de mayor intensidad que emite. Otro ejemplo serían los detectores de calor: estos instrumentos son capaces de “ver” cuerpos calientes como los humanos dado que son sensibles a la radiación infrarroja, que es la que radiación que emitimos nosotros.

Dando los primeros pasos en la mecánica cuántica.

Existen cuerpos y objetos los cuales sólo emiten luz, no la reflejan. Un buen ejemplo sería cualquier fuente de luz: una bombilla, una estrella,… La radiación que nos llega de estos cuerpos es casi en su totalidad por procesos propios de estos cuerpos, es decir, que no es radiación reflejada. El estudio de la radiación que emiten, sobre todo en el caso de las estrellas, nos puede dar mucha información sobre la composición y comportamiento de estas.

Entender el cómo los cuerpos absorbían y emitían energía era uno de los mayores retos de los físicos de finales del siglo XIX. Para el estudio idearon un modelo teórico de un cuerpo en el cual la luz no se refleja. A este modelo lo llamarían cuerpo negro. Por lo tanto, al estudiar la emisión de energía de dicho cuerpo solo se captaría la producida por el mismo. Por entonces, la teoría electromagnética clásica era la aceptada por la comunidad científica y fueron los físicos Rayleigh y Jeans los que, a partir de esa teoría, propusieron una ley que relacionaba la densidad de energía emitida y la frecuencia. Años después y tras varias mediciones experimentales, llegaron a la conclusión de que la ley de Rayleigh-Jeans y, por consiguiente, la teoría electromagnética clásica eran incorrectas. A esta diferencia entre los resultados teóricos y los experimentales se le conocería años después como la catástrofe ultravioleta. No fue hasta el año 1900 cuando el físico Max Planck propuso una nueva idea que revolucionaria la física y la cambiaría por completo: la emisión de energía no se da de forma continua, sino que va en paquetes infinitésimos e indivisible a los cuales llamó “quanta”. Esta idea supuso el comienzo de la Mecánica Cuántica y, con él, del Mundo Cuántico. En honor a su aportación, la constante más característica de la mecánica cuántica lleva su nombre: h, la constante de Planck.

Dualidad onda-partícula.

La dualidad onda-corpúsculo, también llamada dualidad onda-partícula, es una característica cuántica la cual nos trata de explicar cómo algunas “partículas” se comportan como cuerpos puntuales en algunos experimentos y en otras muestran características típicas de las ondas.

En el año 1905 el famosísimo físico teórico Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico, el cual se les resistía a los científicos de la época, trabajo por el cual recibiría su primer (y único) Premio Nobel. En ese trabajo Einstein, basándose en los trabajos de Planck, consideraba que la luz no sólo se comportaba como una onda electromagnética, sino que también estaba formada por pequeñas partículas, que luego se conocerían como fotones. Aunque en un principio se pensaba que la propiedad de dualidad era propia únicamente de la luz, años después, concretamente en 1924, un joven físico francés llamado Louis-Victor de Broglie propuso en su tesis doctoral, inspirado por experimentos relativos a la difracción de electrones, que toda materia tenía acoplada una onda. La longitud de dicha onda está definida de la siguiente manera,

siendo h, m, v y γ la constante de Planck, masa, velocidad y constante de Lorentz (relacionada también con la velocidad de la partícula) respectivamente. Esta última es una constante muy frecuente en el estudio de partículas relativistas, es decir, en estudios de partículas con una velocidad cercana a la de la luz.

Estas son sólo algunas de las particularidades de la luz y avances teóricos que se han podido dar gracias al descubrimiento de estas, pero no son los únicos. Por nombrar uno de los más significativos, tenemos la teoría de la relatividad especial del ya mencionado Albert Einstein. Mediante esta teoría y suponiendo que la velocidad de la luz era la misma en cualquier sistema inercial (no acelerado), el célebre científico alemán sentó las bases de una idea que nos enseñaría cómo el espacio y el tiempo están estrechamente ligados y que el tiempo no es absoluto. Unas ideas, sin duda alguna, revolucionarias.

Por lo tanto, viendo todos los conocimientos que hemos adquirido gracias al estudio de la luz, quién sabe qué secretos más nos aguarda la naturaleza. Porque por mucho que creamos que conocemos lo que nos rodea, en cualquier momento puede haber algún descubrimiento o teoría que nos haga replantearnos cosas que creíamos básicas.