El acertijo de la luz

El intento por comprender la luz fue la clave, al paso de 2500 años, para permitir al ser humano comprender el universo en el que vive.

Fuegos artificiales, una de las formas en que
los seres humanos nos divertimos con la luz.
(Fotografía ©Mauricio-José Schwarz)

Pensándolo atentamente, la luz es en sí un fenómeno misterioso. Para nosotros, seres eminentemente visuales, es el principal medio por el cual conocemos el universo a nuestro alrededor, y sin embargo no es tan evidente por sí misma como lo pueden ser otros elementos de nuestra realidad.

Seguramente los seres humanos se hicieron preguntas sobre la luz mucho antes, pero la primera teoría que conocemos acerca de la luz fue la que propuso Empédocles de Acragas (actual Agrigento) en el siglo V antes de la Era Común. Después de proponer la teoría de que todo el universo está formado por cuatro elementos (que dominó el pensamiento hasta el Renacimiento), sugirió que la luz era un fuego que no quemaba y que que fluía del ojo hacia los objetos, chocaba con ellos y provocaba que se formara su imagen en nuestra mente. Filósofos como Platón o Ptolomeo, se adhirieron a la teoría de Empédocles, mientras que otros como Pitágoras pensaban que la luz era emanada de los objetos luminosos y caía en el ojo produciendo la visión.

Pero éstas eran sólo especulaciones sin bases experimentales.

Los primeros experimentos con la luz que conocemos fueron los de Euclides en el siglo III aEC, con espejos planos y cóncavos, y cuyos resultados están en su libro “Catóptrica”. Cuatrocientos años después, en Alejandría, Claudio Ptolomeo desarrollaría el trabajo de Euclides con datos experimentales adicionales para escribir su libro “Óptica”. Este trabajo fue desarrollado en el siglo XI por el sabio Alhazén, originario de Basora, en lo que hoy es Iraq. También llamado al-Haytam, uno de los padres del método científico, realizó experimentos demostrando que la visión se producía cuando el ojo recibía la luz, ya fuera reflejada por los objetos o emitida por ellos, y que la luz viaja en línea recta. Su “Libro de la óptica” fue la base teórica de la invención de las lentes para ver, gafas o anteojos, doscientos años después en Europa.

Parece, pero no es

Los avances en la óptica nos permitieron comprender el comportamiento de la luz, pero no nos dieron información sobre qué era ese fenómeno, cómo era esa fuerza que se comportaba de modo tan predecible. Se entendía cómo se reflejaba o difractaba la luz y ese conocimiento permitió la creación de lentes cada vez más perfectos, a su vez indispensables para la invención del microscopio y del telescopio, pero su composición seguía siendo motivo de debate.

Las observaciones de Isaac Newton, el genio que revolucionó la física y las matemáticas en el siglo XVII, lo llevaron a pensar que la luz estaba formada por partículas físicas que se reflejaban al golpear una superficie del mismo modo en que una pelota rebota al chocar con una superficie dura. En parte concluyó esto al observar que los rayos de luz no interferían unos con otros, el fenómeno llamado difracción, que sí ocurre cuando las ondas que se propagan en un medio interfieren entre sí.

Sin embarto, el físico holandés Christian Huygens, contemporáneo de Newton, con buenos argumentos y otros datos, sostenía que la luz se emitía en una serie de ondas que se extendían en todas direcciones como pasa con las ondas de un estanque cuando cae una piedra en él, y que no eran afectadas por la gravedad.

Sin embargo, el enorme prestigio de Newton ayudó a que su hipótesis fuera generalmente aceptada hasta que un experimento en el siglo XIX revivió la hipótesis de las ondas demostrando que la luz sí podía difractarse. La luz que Newton había observado era la luz del sol, que incluye una amplia gama de frecuencias y su amplitud varía rápidamente, por lo que no se puede observar la difracción. Al usar una luz con frecuencias coherentes, Thomas Young demostró que sí se difractaba. El conocimiento volvía al principio.

A fines del siglo XIX, James Clerk Maxwell desarrolló cuatro ecuaciones que describían las ondas magnéticas y eléctricas, y siguiendo esas ecuaciones no sólo se obtenía la velocidad de la luz, sino que tanto la luz visible como las demás ondas electromagnéticas no eran hechos distintos, sino el mismo fenómeno pero con diferentes frecuencias. La luz era una forma de energía electromagnética cuya única característica especial es que, debido a la historia evolutiva de nuestra especie, podemos verla. Algunos otros animales, como ciertos reptiles, pueden detectar la radiación infrarroja, mientras que otros como las abejas y algunas aves, pueden ver la luz ultravioleta, de frecuencia un poco más alta que la luz visible.

Fue necesario que se desarrollara una aproximación completamente nueva de la física para resolver el dilema. En 1901, el físico alemán Max Planck determinó que la radiación electromagnética sólo se podía emitir en paquetes de energía con un valor determinado que llamó “cuantos”, y al estudiar el efecto fotoeléctrico, Einstein determinó que la luz se emitía en cuantos. Al fin sabíamos lo que era.

La luz, y toda la radiación electromagnética, tienen propiedades que nos pueden parecer contradictorias, pero que en realidad no lo son. Decimos que toda la realidad exhibe una “dualidad onda-partícula” que se descubrió primero en la luz y hoy sabemos que es una propiedad de toda la materia. Pero esto se debe a que se habían usado ejemplos (como pelotas chocando u ondas en un estanque) que no se aplicaban a la realidad de la materia pero parecían de sentido común. También era de sentido común la creencia de Aristóteles de que un objeto diez veces más pesado que otro cae diez veces más rápido. La demostración de Galileo de que la velocidad de caída no dependía del peso fue, en su momento, también opuesta al sentido común.

Con su teoría de la relatividad, Albert Einstein determinó que la velocidad de la luz en el vacío es el único hecho independiente del marco de observación en un universo donde todos los fenómenos son relativos. La velocidad de la luz nos permite comprender el sorprendente hecho de que la materia y la energía son intercambiables.

Al conseguir finalmente entender la luz y su comportamiento a nivel cuántico, encontramos la clave para comprender el universo en toda su grandeza, la llave que abrió espacios de conocimiento y preguntas que seguramente habrían entusiasmado a Empédocles, Pitágoras y Euclides.

La radiación electromagnética La radiación electromagnética es una forma de energía que emiten y absorben las partículas cargadas, y puede tener desde frecuencias muy bajas hasta muy altas formando un espectro o continuo. De menor a mayor frecuencia, el espectro electromagnético tiene las ondas largas, las que utilizamos para transmitir radio y televisión, las microondas, la luz infrarroja, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma.