El láser, solución en busca de un problema

El láser es uno de los desarrollos más versátiles del siglo XX, con una cantidad de usos que crece día a día, pero que nadie pudo prever cuando se emitió el primer rayo.

El primer láser de rubí de 1960 y su inventor,
Theodore Maiman
(Foto D.P. de Daderot, vía Wikimedia Commons)

La luz que vemos habitualmente, la que emite el sol, la del fuego, la de nuestras bombillas y la que nos llega del universo es un caos que contiene ondas de distintas longitudes, amplitudes y fases, la luz “incoherente”.

Si en un estanque tranquilo arrojáramos una serie de guijarros de distinto tamaño y peso, desde distinta altura y con ciertas diferencias de tiempo. Las ondas que se producirían serían caóticas: las características cada guijarro producirían una onda de distinta frecuencia y amplitud que las de los otros guijarros, y donde sus crestas (la parte más alta de la onda) y valles (la parte más baja) tampoco coincidirían.

Así es la luz del sol que vemos como blanca y que contiene todos los colores del espectro visible. Si hacemos pasar la luz blanca por un prisma, como hizo Newton en su clásico experimento, la longitud de onda de cada color se difracta en un ángulo distinto al salir del prisma permitiéndonos ver la composición que tiene el rayo de luz original.

Por contraposición, la luz coherente sería aquélla en la que todos sus componentes van ordenados, con la misma longitud y amplitud de onda, y con crestas y valles coincidentes (en fase).

Para verla, hubo que esperar el genio de Albert Einstein.

En 1917, Einstein propuso una forma de estimular la emisión de la radiación electromagnética. Cuando se aplica energía a cualquier colección de átomos, éstos emiten fotones al azar. Es lo que pasa cuando aplicamos electricidad al gas de una bombilla fluorescente o de neón, al filamiento de una bombilla tradicional o al diodo de una bombilla LED).

Einstein propuso que se podía estimular a los átomos para que emitieran luz coherente. Según su teoría, si se dispara al átomo un fotón de cierta longitud de onda, provocará que el átomo emita un fotón en la misma dirección, con la misma frecuencia y en fase con el primero. Este efecto se multiplica al viajar los fotones coherentes por los átomos cercanos, provocando que se emitan más fotones coherentes que se pueden emitir como un haz de radiación electromagnética.

Si la luz incoherente es como una multitud caminando cada quién a su ritmo y paso, en la luz coherente todos los miembros de la multitud caminarían al mismo ritmo y con pasos iguales, como en un desfile.

Pasaron 37 años antes de que lo que Einstein había propuesto teóricamente se llevara a la práctica. En 1954, Charles Townes y Arthur Schawlow crearon en la Universidad de Columbia un aparato que estimulaba la emisión de microondas, con objeto de tener una fuente de microondas coherentes que se utilizaban en el estudio de la estructura de moléculas, átomos y núcleos atómicos. Llamaron a su procedimiento “amplificación de microondas mediante la emisión estimulada de radiación”, o MASER según sus siglas en inglés.

Estros mismos científicos plantearon hacer lo mismo con luz visible y publicaron artículos científicos al respecto, pero nunca lo hicieron en la práctica. El desafío no tuvo que esperar mucho para hacerse realidad y para desatar la polémica.

En 1958, Gordon Gould, también en la Universidad de Columbia, construyó el primer aparato capaz de emitir luz mediante la emisión estimulada de radiación. Siguiendo la pauta del “MASER”, cambió la primera letra, referente a las microondas, y la sustituyó por la L de luz (light), para crear la palabra “LASER”. El problema es que no presentó la solicitud de patente hasta 1959, se le denegó y tuvo que luchar hasta 1977 para que se le reconociera su calidad de pionero.

Mientras tanto, Theodore Maiman consiguió reconocimiento con la invención del láser de rubí, que nos presentó al “rayo láser” con un característico color rojo, simplemente porque el material empleado emitía los fotones de su haz de luz coherente en la longitud de onda del rojo, aunque el rayo puede ser de cualquier color dependiendo de los materiales y procedimientos usados para generarlo.

El láser era impresionante, se parecía al “rayo de la muerte” que dibujaban los ilustradores de las revistas “pulp” de ciencia ficción, tenía propiedades físicas asombrosas… pero no parecía tener aplicaciones prácticas. De hecho se le llamó “una solución en busca de un problema”.

Pero mientras multitud de científicos desarrollaban otros tipos de láser que necesitaban menos energía, más eficientes y de diversas longitudes de onda, las aplicaciones prácticas empezaron a desarrollarse. En 1969, la misión a la Luna del Apolo 11 dejó sobre la superficie de nuestro satélite, entre otros instrumentos, un reflector láser. Lanzando un rayo láser desde un observatorio y midiendo el tiempo que tarda en volver, se puede medir la distancia que nos separa con una tolerancia de 3 centímetros.

Esto ilustra una de las principales características de la luz coherente: al no dispersarse en ángulo como la luz de una linterna doméstica, sino mantenerse como un rayo recto, es posible proyectar un láser a gran distancia, como lo ilustran por desgracia los punteros láser, creados para auxiliar en presentaciones y en el aula, pero utilizados para molestar a deportistas y otras personas a distancia.

Hoy la lista de aplicaciones de las numerosas formas del láser es no sólo extensa, sino que crece día con día. Se usa por igual para leer códigos de barras en el supermercado o los CD y DVD de nuestros ordenadores y equipos de vídeo que para alinear puentes, como cinta de medir o como nivel para los profesionales de la construcción y hasta para los aficionados al bricolaje, para estudiar la atmósfera, como auxiliares en telescopios de última generación; para cortar, soldar doblar, grabar, marcar o limpiar metales; en diversas aplicaciones quirúrgicas y estéticas, desde la cirugía ocular hasta la eliminación de tatuajes y cicatrices y en la cirugía general, creando toda la especialidad de la medicina láser; como mira para distintas armas, en las impresoras de nuestros documentos y, por supuesto, en espectáculos como los que acompañan los macroconciertos de rock. Es importante señalar que la luz que viaja por la fibra óptica que ha revolucionado las telecomunicaciones y nos permite tener Internet de alta velocidad es luz láser.

Al final, el láser, la luz coherente que imaginó Einstein, ha resultado ser una solución para una multitud de problemas en las áreas más diversas de la experiencia humana.

Estrellas láser Los cuásares o fuentes cuasi estelares de ondas de radio descubiertos en 1950 se han revelado como objetos que emiten naturalmente rayos láser. El telescopio Hubble ha descubierto además una estrella inestable en nuestra propia galaxia, Eta Carinae, millones de veces mayor que nuestro sol y que emite luz láser ultravioleta.

¿Qué vemos cuando vemos los colores?

Descomposición de la luz con un prisma
(D.P. via Wikimedia Commons)

Los seres vivos vemos los colores de formas muy distintas. Es un código que cada especie descifra de acuerdo a sus necesidades de supervivencia.

Dentro del amplio espectro de radiación electromagnética, cuyas longitudes de onda van desde las frecuencias muy bajas hasta las altísimas frecuencias de los peligrosos rayos gamma, llamamos “luz visible” a un segmento muy pequeño de ondas de una longitud más o menos entre 380 y 760 nanómetros (un nanómetro es una milmillonésima de metro). Por debajo de los 380 nm está la radiación infrarroja y, por encima de los 760 nanómetros, los rayos ultravioleta.

Una pregunta razonable desde el punto de vista de la biología evolutiva es por qué vemos este intervalo de radiación no las radiaciones más o menos potentes. Un posible motivo es que estas radiaciones son precisamente las que pueden pasar por nuestra atmósfera casi sin verse atenuadas o alteradas, a diferencia de los rayos ultravioleta (filtrados por las nubes) y los infrarrojos.

Pero lo que nosotros vemos no es la única forma de ver.

Experimentos de elegante diseño han explorado qué tipos de radiación ven distintas especies. No sólo tenemos a depredadores nocturnos (incluido nuestro compañero frecuente, el gato) que pueden percibir intensidades de luz muy inferiores a las de nuestros ojos, sino ejemplos como el de las abejas, muchas aves y peces, que pueden “ver” la radiación ultravioleta. De hecho, cuando utilizamos sensores de ultravioleta para ver las flores de las que se suelen alimentar las abejas, observamos patrones que parecen indicar el centro de la flor. Aves, peces e insectos parecen tener los “mejores” sistemas visuales del reino animal.

En el otro extremo del espectro visible, muchos reptiles tienen fosas térmicas que les permiten percibir, o “ver” dentro del rango infrarrojo. En el caso de muchos mamíferos que dependen para su supervivencia más del olfato que de la vista, al parecer no pueden discriminar muchos colores. Animales como el toro parecen ver en blanco y negro, de modo que el color de la capa para citarlo es irrelevante, mientras que los perros al parecer ven en dos colores, con una sensibilidad similar a la de los humanos ciegos al rojo y verde (daltónicos).

Sin embargo, aunque nuestros experimentos nos pueden enseñaren cierta meedida qué ven o distinguen los animales, no pueden decirnos cómo lo ven. Porque la luz en sí no tiene información del color.

No hay nada que indique que la luz de unos 475 nm sea “azul”, o que la luz de 650 nm sea “roja”. No hay una correspondencia precisa entre el impulso y la interpretación que hace nuestro cerebro de ella. La presión de la evolución ha hecho que nuestro sistema nervioso “codifique” la luz visible creando las sensaciones del arcoiris para facilitarnos la percepción cuando dos colores tienen el mismo brillo. Esto es claro en la fotografía y el cine en blanco y negro donde, por ejemplo, el rojo y el verde del mismo brillo dan como resultado el mismo tono de gris.

El color es, ante todo, subjetivo, una experiencia, una ilusión perceptual.

Historia e investigación

El hombre se ha interesado siempre por el color. Llenó de simbolismo y contenido las sensaciones del color, tiñéndolos, valga la metáfora, con sus percepciones culturales. Por ejemplo, el negro, color regio del cielo y la tierra en la antigua China, es símbolo de duelo en occidente ya desde el antiguo Egipto.

Los primeros intentos por entender el color en occidente se remontan a la antigua Grecia, donde primero Empédocles y luego Platón pensaron que el ojo emitía luz para permitir la visión. Aristóteles, por su parte, propuso que el color se basaba más bien en la interacción del brillo de los objetos y la luz ambiente.

Sin embargo, la comprensión del color hubo de esperar a la llegada de Isaac Newton y su demostración de que la luz blanca del sol es en realidad una mezcla de todas las frecuencias o longitudes de onda de la luz visible. Con una intuición magnífica, Newton concluyó que el color es una propiedad del ojo y no de los objetos.

Sobre las bases de Newton, en el siglo XIX Thomas Young propuso que con sólo tres receptores en el ojo podríamos percibir todos los colores, teoría “tricromática” que sólo se confirmaría con experimentos fisiológicos detallados realizados en la década de 1960.

En nuestras retinas hay tres tipos de células de las llamadas “conos”, sensibles especialmente a uno de los colores aditivos primarios: el rojo, el verde o el azul, según el pigmento que contienen. La mayor o menor estimulación de cada uno de estos tipos de cono determina nuestra capacidad de ver todos los colores, incluidos aquéllos que no están en el arcoiris como el rosado o el magenta.

La visión tricromática es característica de los primates, y se cree que se desarrolló conforme los ancestros de todos los primates actuales hicieron la transición de la actividad nocturna a la diurna. Los animales nocturnos no necesitan visión de color, y sí una gran sensibilidad a la luz poco intensa. Pero a la luz del día, las necesidades cambian para detectar tanto fuentes de alimento como a posibles depredadores.

¿Cómo llega a nuestros ojos una longitud de onda que nuestro sistema nervioso interpreta como color? Así como decimos que el color no está en la luz, tampoco está en los objetos. De hecho, ocurre todo lo contrario. Una manzana nos parece roja porque su superficie absorbe todas las longitudes de onda de la luz visible excepto las del rojo, las cuales son reflejadas y por tanto percibidas por nuestros ojos.

El principio de la tricromía de nuestra percepción es aprovechado a la inversa en dispositivos como nuestros televisores y monitores, que tienen partículas fosforescentes rojas, verdes y azules. La mayor o menor intensidad de iluminación de cada uno de éstos nos permite ver todos los colores. Así, los colores en informática se definen por valores RGB, siglas en inglés de rojo (Red), verde (Green) y azul (Blue). Esto lo podemos ver fácilmente con una lupa aplicada a nuestro monitor, la magia doble de una sensación absolutamente subjetiva, la experiencia del color

El color relativo Nuestros ojos pueden adaptarse rápidamente a las cambiantes condiciones de luz. Verán una hoja de papel de color blanco así esté bajo tubos de luz neón (que son en realidad de color verdoso), bombillas incandescentes tradicionales (cuya luz es realmente rojizo-anaranjada) o bajo la luz blanca del sol de mediodía. Nuestros sentidos no funcionan absolutamente, sino que hacen continuamente comparaciones relativas para hacer adaptaciones. Las cámaras fotográficas y de vídeo no pueden hacer esto y por ello tienen un “balance de blancos” con el que establecemos qué es “blanco” en nuestras condiciones de luz para que los aparatos interpreten los demás colores a partir de ello.

James Maxwell, el gran unificador

James Clerk Maxwell
(D.P. vía Wikimedia Commons)

Uno de los físicos más importantes de la historia es poco conocido por lo complejo de sus aportaciones, sin las cuales, sin embargo, la física del siglo XIX habría sido mucho menos fructífera.

James Clerk Maxwell está considerado como el tercer físico más importante de la historia, superado sólo por Newton y Einstein. Sin embargo, en la percepción popular, la historia de la electricidad y el magnetismo está dominada por personajes como Michael Faraday, Luigi Galvani o Benjamin Franklin.

Esta mala fortuna se debe en gran medida al nivel altamente teórico del trabajo de Maxwell, sobre todo si lo comparamos con los espectaculares experimentos de Galvani, electrizando animales muertos cuyos músculos se contraían para sobrecogimiento de los espectadores, las dinamos y aparatosas chispas de Faraday (quien por su parte no hizo matemáticas, todos sus descubrimientos son resultado de sus geniales experimentos), y la figura colosal de Franklin que además de su cometa y su suerte al sobrevivir a su imprudente experimento con la cometa (varios de sus émulos dejaron la vida en el intento) destacó en la política, la diplomacia, la literatura y la filosofía.

Sin embargo, la importancia de Maxwell se puede evaluar considerando que Einstein tenía en su mesa de trabajo dos retratos, el de Newton y el de Maxwell, y llegó a decir sobre el trabajo del modesto, metódico escocés, que era "lo más profundo y más fructífero que había experimentado la física desde tiempos de Newton”. En otro momento, Einstein explicó que “la teoría de la relatividad especial debe sus orígenes a las ecuaciones de Maxwell del campo electromagnético”.

Este barbado revolucionario del siglo XIX nació en 1831 en Edimburgo, Escocia, donde asistió a la academia de los 10 a los 16 años. Su amigo desde entonces Peter Guthrie Tait recuerda que el chico era considerado rústico, tímido y aburrido, y pasaba su tiempo libre leyendo baladas, haciendo diagramas y preparando modelos mecánicos burdos. Como suele ocurrir, tales actividades resultaban incomprensibles para sus compañeros de clase, pero pronto se mostró como el más brillante, y frecuente ganador de premios en matemáticas y poesía inglesa.

Su primer trabajo matemático conocido fue un artículo sobre medios mecánicos para dibujar curvas matemáticas, y las propiedades de las elipses y otras curvas con varios focos, fue presentado a la Real Sociedad de Edimburgo en 1846, que quedó impresionada con el joven.

En 1847, a los 16 años de edad, Maxwell entró a la Universidad de Edimburgo, que le resultó poco exigente y le dejó tiempo para seguir sus estudios independientemente, ocupándose de estudios relacionados con la óptica. Ese mismo año escribió dos artículos sobre teoría de curvas y uno sobre la refracción de la luz en distintos sólidos elásticos.

El mundo para Maxwell era ya un acertijo que sólo podía resolverse mediante las matemáticas. Como diría después: “Todas las ciencias matemáticas están fundadas entre leyes físicas y las leyes de los números, de modo que el objetivo de la ciencia exacta es reducir los problemas de la naturaleza a la determinación de cantidades mediante operaciones con números”.

De Edimburgo marchó a Cambridge en 1850 para realizar sus estudios de postgrado, y allí permanecería hasta 1856 y donde empezó a ocuparse del magnetismo y la electricidad. En 1855 presentó un modelo simplificado del trabajo de Faraday y de la forma en que se relacionaban estos dos fenómenos. Todo el conocimiento que existía en ese momento fue reducido por Maxwell a 20 ecuaciones en 20 variables.

En 1861, su artículo Sobre las líneas físicas de fuerza presenta las ecuaciones que, con ligeras variaciones, son conocidas hoy en día como las “Ecuaciones de Maxwell”. En ellas describía matemáticamente cómo el flujo eléctrico generaba campos magnéticos y cómo el movimiento de un campo magnético puede generar electricidad. También establecía el concepto de la “corriente de desplazamiento”, una forma de la corriente eléctrica en la que el campo magnético no está generado por el movimiento de la corriente en sí, sino por su variación en el tiempo.

Habiendo determinado que la propagación de las ondas electromagnéticas en el vacío ocurría a una velocidad similar a la de la luz, propuso que ésta era una perturbación electromagnética que se propagaba de acuerdo con las leyes electromagnéticas. La idea de que la luz podía ser una expresión de los fenómenos que en esos tiempos capturaban la atención del mundo conforme se entendía la electricidad y sus posibilidades era totalmente revolucionaria.

En 1865, en el artículo Una teoría dinámica del campo electromagnético, Maxwell reúne finalmente la electricidad, el magnetismo y la óptica en una sola teoría unificada mediante la ecuación de la onda electromagnética.

Más aún, la teoría electromagnética de la luz de Maxwell sugería la posibilidad de que las ondas eléctricas existieran en el espacio libre. No fue sino hasta 1887, ocho años después de la prematura muerte de Maxwell en 1879, que Heinrich Hertz, el físico alemán que da su nombre al “hertzio” como unidad de frecuencia, demostró experimentalmente la existencia de tales ondas eléctricas en el espacio, las ondas que hoy utilizamos para la comunicación por radio, televisión, telefonía móvil y otros sistemas que emplean ondas electromagnéticas.

La aportación de Maxwell, sin embargo, no se limitó a ese singular logro de unificación. Dejó importantes logros en la óptica y la percepción del color, descubriendo que se pueden crear fotografías a color con filtros rojo, azul y verde, y tomó la primera fotografía permanente a color en 1861. Se ocupó de la teoría cinética de los gases, es decir, del movimiento de las moléculas en los gases a distintas temperaturas, y también consiguió importantes avances en la termodinámica. Con todo esto, tuvo tiempo para ordenar y editar los papeles de Henry Cavendish, el físico británico descubridor del hidrógeno, y diseñar e instalar el laboratorio Cavendish en Cambridge. Una enorme labor para una vida que sólo duró 48 años.

Las unificaciones y revoluciones en la física Con frecuencia se afirma que “la ciencia” se “equivoca” en muchas ocasiones y cambia de posición con cierta frecuencia. Quienes así hablan sueñan con que eventualmente la ciencia acepte algunas propuestas descabelladas. Pero la afirmación no es válida. Es aventurado hablar de ciencia en sentido estricto antes del Renacimiento, y después los genios como Einstein y Maxwell ampliaron, afinaron y unificaron los conocimientos ya existentes, no los eliminaron. Maxwell no borró lo que se sabía sobre magnetismo y electricidad, simplemente lo unificó coherentemente y le dio sentido. La ciencia no funciona cambiando de rumbo caprichosamente, sino por la acumulación de conocimientos e ideas.