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Pero entonces… ¿qué es la luz?

José Vicente García Ramos (CSIC)*JV García Ramos

2015 es el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz, proclamado por la ONU con el objetivo de comunicar a la sociedad la importancia de la luz y sus tecnologías asociadas, en áreas como la energía, la educación, la salud, las comunicaciones, etc.

Pero… ¿Qué es exactamente la luz? Se atribuye a Euclides, alrededor del año 300 a.C., el descubrimiento de las leyes de la reflexión de la luz, aunque no fue hasta el siglo XVII cuando, por una parte, el genial científico inglés Isaac Newton (1642-1727) y, por otra, el matemático holandés Cristian Huygens (1629-1695), desarrollaron dos teorías contrapuestas sobre la naturaleza de la luz. Newton propu­so una teoría corpuscular, mientras que Huygens suponía que era un fenómeno ondulatorio.

Jhong Dizon / Flickr

Jhong Dizon / Flickr

Para Newton la luz estaba formada por un haz de par­tículas microscópicas que denominó corpúsculos. La idea no era mala. De hecho, los rayos de luz viajan velozmente en línea recta como lo hacen los proyectiles, y cuando se encuentran un objeto, se comportan de forma no muy di­ferente a como lo hace una bala cuando rebota. Incluso lle­gó a explicar el fenómeno de la refracción, ya que la luz se refractaría, es decir, cambiaría de dirección al pasar de un medio a otro por la diferencia de velocidad de transmisión en los dos medios, como le ocurre a una pelota cuando se hunde en un hipotético tarro gigante de mermelada.

No obstante, lo realmente difícil era explicar, desde el punto de vista de los corpúsculos, otras propiedades de la luz como la difracción y las interferencias, característi­cas ambas de las ondas. De hecho, después de Newton, la consideración de la luz como una onda comenzó a abrirse camino, ya que parecía tener mucho en común con las on­das del sonido en el aire o las olas del agua del mar o de los lagos.

En realidad, la teoría más consistente era la que supo­nía Huygens, pero el gran prestigio del que gozaba Newton mantuvo la teoría ondulatoria arrinconada durante más de un siglo, hasta que los experimentos de Thomas Young (1773-1829) y Auguste Jean Fresnel (1788-1827) la co­rroboraron ya en el siglo XIX. Esto ha sucedido en bas­tantes ocasiones; las grandes figuras científicas consiguen importantes avances, pero pueden actuar como rémoras en nuevos descubrimientos. Aunque, en este caso, el tiem­po y el desarrollo de la mecánica cuántica le devolvieron a Newton parte de la razón: la luz es un fenómeno ondula­torio, está formada por ondas electromagnéticas, pero a su vez puede considerarse formada por pequeñas partículas de luz (cuantos) llamadas fotones. De esta doble naturale­za corpuscular y ondulatoria gozan todas las partículas y ondas.

Actividad en el Instituto de Óptica del CSIC durante la Semana de la Ciencia 2014.

Actividad del IOSA en el Instituto de Óptica (IO) del CSIC en la Semana de la Ciencia 2014. Juan Aballe/CSIC

Pero esto no es verdad del todo. Tanto las ondas en el agua como las ondas del sonido necesitan un material para formarse. Los físicos de la época asumieron que había un medio invisible y delgado, al que llamaron “éter luminífe­ro”, que impregnaba el universo, por lo que consideraban que las ondas luminosas eran oscilaciones dentro de esta sustancia. Pero, en 1887, Albert Michelson (1852-1931) y Edward Morley (1838-1923) montaron un experimento que no llegó a buen fin porque la hipótesis de partida era falsa, ya que no exis­tía ningún éter. Sin embargo, hay que pensar que la cosa no fue tan mal, pues existen algunas ondas que no necesitan un medio para propagarse, como aseguró Einstein en su teo­ría de la relatividad especial. En efecto, la velocidad de la luz siempre se puede medir sea cual sea el marco de refe­rencia que se elija, incluso en el vacío. De hecho, la veloci­dad de la luz en el vacío, c, es una constante universal, lo cual nos lleva a la conclusión de que la luz es una onda, pero tan especial que no necesita un medio para propagarse.

Al mismo tiempo, durante esos mismos años, los cien­tíficos comenzaban a estudiar el efecto fotoeléctrico que consiste en que, cuando la luz incide sobre ciertos obje­tos, estos liberan electrones. En principio, la teoría ondu­latoria de la luz podía explicar muy bien este efecto, ya que entre las características de las ondas está su capacidad para transportar y transferir energía. Pero los problemas comienzan cuando entramos en detalles. Si aumentamos la intensidad de la luz, se emiten más electrones, pero no cambia la energía de cada electrón. Por el contrario, si lo que aumentamos es la energía de la luz utilizada, esto es, utilizamos una luz más azul, la energía de cada electrón liberado aumenta, y aunque la intensidad de dicha luz sea baja, los electrones emitidos no tienen menos energía, lo único que ocurre es que se van liberando más lentamente.

Otra actividad del IO-CSIC

Otra actividad del IOSA en el IO-CSIC. Juan Aballe/CSIC

Estos resultados hicieron que Einstein pensara que la teoría ondulatoria no era lo bastante acertada como para describir la luz. Su propuesta fue que la luz está formada por fotones, cada uno de ellos con una energía específica que depende de la frecuencia de la luz. Los fotones chocan con los electrones de un material y los expulsan mientras les transfieren una energía igual a la energía del fotón me­nos la energía necesaria para liberarlos del material.

Esta teoría explicaba perfectamente el efecto fotoeléc­trico: una mayor intensidad de la luz significa más fotones, no más energía por fotón, que liberan más electrones, pero no con más energía por electrón. De hecho, Einstein fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1921 por su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico, no por la teoría de la relatividad.

Entonces, después de todo, ¿la teoría de los fotones es la buena? Y, si es así, ¿qué pasa con el comportamiento ondulatorio de la luz? La respuesta, quizá inesperada, es que la teoría de los fotones todavía es errónea. A pesar de la descripción de los fotones como partículas que arrancan electrones de un material, los fotones no son partículas. No tienen funciones de onda mecano-cuánticas ni tampo­co tienen asignadas posiciones, ni siquiera en el cambiante sentido mecano-cuántico que dice que, por ejemplo, un protón tiene asignada en cada momento una posición.

Lo adecuado es decir que un fotón es un objeto mecano-cuántico que no es una onda ni una partícula. Evidentemente, esta conclusión no es del todo satisfactoria. Es mu­cho más fácil explicar la naturaleza de la luz en términos que nos resulten familiares, con experiencias cotidianas de ondas y de partículas, pero, al hacerlo, perderemos muchas de sus propiedades. A modo de resumen, podemos decir que la consideración de la luz como una onda puede expli­car en general sus propiedades macroscópicas, mientras que los fotones como partículas componentes de la luz explican muchas de sus propiedades microscópicas. Lo que no tene­mos que olvidar, cuando oigamos hablar a alguien de la luz como onda o como partícula, es que se trata de una aproxi­mación. La naturaleza es mucho más sutil…

* José Vicente García Ramos es investigador del Instituto de Estructura de la Materia (CSIC) y este texto es un extracto de su libro Las moléculas: cuando la luz te ayuda a vibrar (CSIC-Catarata).

Moléculas zurdas y diestras: el porqué del desastre de la talidomida

JG MuñozPor Jesús Gil Muñoz (CSIC)*

Cuando el ser humano vio por primera vez su propio reflejo, quedó fascinado por las superficies que proyectan nuestra propia imagen. Posiblemente, por causa de esta fascinación, una gran variedad de supersticiones, mitos y leyendas rodean los espejos. En el momento en que Alicia, después de su periplo por el país de las maravillas, pasa al otro lado del espejo, se muestra confusa: se encuentra con los mismos objetos que antes (o al menos parecen ser los mismos) pero se comportan de distinta manera.

Enantiómeros

Enantiómeros: aunque estos dos compuestos tienen la misma fórmula molecular se diferencian por su disposición interna. Una es la imagen especular de la otra.

Al colocarnos frente a un espejo, la persona que aparece al otro lado es exactamente igual que nosotros. Sin embargo, si levantamos el brazo derecho, ese otro ‘yo’ hace lo propio pero con el izquierdo. Sería nuestro ‘yo zurdo’. En la Química ocurre algo parecido. Hay moléculas que se comportan como si estuvieran en diferentes lados del espejo. A simple vista parecen ser las mismas pero no es así: una es ‘zurda’ y la otra ‘diestra’. A estos compuestos se les conoce como enantiómeros. Dos enantiómeros son imagen especular el uno del otro pero no son superponibles y, por supuesto, son moléculas diferentes. Por ejemplo, la molécula de limoneno tiene dos variantes que producen dos olores diferentes: en un lado del espejo produce el olor característico a limón; sin embargo, del otro lado, sorprendentemente, proporciona olor a naranja. Algo similar sucede con la molécula de carvona, que da olor a menta u olor a comino según sea ‘zurda’ o ‘diestra’.

Existen miles de moléculas cuyas imágenes especulares presentan propiedades diferentes, y no solo atienden a cuestiones de olor. Durante el Tercer Reich, la compañía farmacéutica Grünenthal empezaba a abrirse paso con hitos como el desarrollo de la primera penicilina. Pero fue con la síntesis de la talidomida con lo que tuvo mayor impacto. Ya finalizado el régimen nazi, Grünenthal comercializó este compuesto, que se hizo popular por sus propiedades sedante y calmante de las náuseas en los primeros meses de embarazo. A finales de los 50 y principios de los 60 nacieron más de 12.000 niños con graves deformaciones congénitas, caracterizadas por la carencia o excesivo acortamiento de las extremidades. Un hecho que a priori era totalmente ajeno, resultó estar relacionado con la talidomida. Precisamente un médico español, aunque su nombre no lo parezca –Claus Knapp–, que trabajaba en Alemania en aquella época, fue clave para esclarecer la relación: las mujeres que habían tomado talidomida, tenían hijos con malformaciones.

Talidomida

Cápsulas de talidomida / Duckwailk

El medicamento se retiró inmediatamente del mercado y se llevó a cabo una investigación en la que se descubrió que realmente constaba de dos talidomidas: una que efectivamente actuaba como sedante, y otra, su imagen especular, que tenía efectos teratogénicos, causantes de las malformaciones en los bebés. A partir de este genocidio farmacéutico se produjo un importante endurecimiento de las pruebas que debían pasar los medicamentos antes de ser comercializados.

Con este desagradable capítulo de la historia, queda patente que incluso en el extraordinario mundo de la Química, el viaje entre los dos lados del espejo, por muy corto que sea, puede salir caro.

 

* Jesús Gil Muñoz (Barbate, 1984) trabaja en el Centro de Investigaciones Biológicas del CSIC y es autor del blog RadicalBarbatilo.

¿Por qué el jabón no hace la misma espuma cuando te vas de vacaciones?

Fernando GomollonPor Fernando Gomollón-Bel (CSIC)*

Ahora que muchos estaréis de vacaciones quizás hayáis notado que, en vuestro destino, el jabón hace menos espuma cuando os ducháis. O igual os pasa justo lo contrario. Os habéis llevado vuestro champú de siempre, pero no es lo mismo. ¿Qué está pasando?

Molécula de jabón y micela

Arriba: esquema de una molécula de jabón con sus dos partes, la cabeza hidrófila (amarillo) y la cola hidrófoba (azul). Abajo: esquema de una micela con grasa atrapada en su interior.

La respuesta, como sucede casi siempre, está en la Química. Antes de nada, hemos de recordar por qué el jabón limpia. El jabón está formado por moléculas que tienen una cola que repele el agua (hidrófoba) y una cabeza que es soluble en ella (hidrófila). Esta propiedad hace que el jabón, al entrar en contacto con el agua, forme lo que los científicos llaman micelas: esferas en las que todas las cabezas están en contacto con el agua y todas las colas orientadas hacia el interior. A esta cavidad interna le encantan las grasas y es por eso que las micelas de jabón atrapan las manchas y la suciedad a la perfección.

Probablemente ahora os estéis preguntando: ¿todo esto qué tiene que ver con las vacaciones? Resulta que el hecho de que un jabón haga más o menos espuma, o limpie más o menos según el agua que utilicemos, es debido a las micelas y a la dureza del agua. La dureza es una medida de la cantidad de cal que tiene disuelta el agua. Así, por ejemplo, el agua de Zaragoza es muy dura (tiene mucha cal) mientras que la de La Coruña es muy blanda (apenas tiene).

¿En qué afecta esto a los jabones? Las cabezas hidrófilas de las moléculas de jabón se llevan también muy bien con los iones de calcio y magnesio con carga positiva que contiene la cal.

Envase y mapa

Arriba: dosis de jabón recomendada por el fabricante. Abajo: mapa de la dureza del agua (TecDepeur.com).

Así, cuando hay mucha cal (cuando el agua es muy dura), las moléculas de jabón empiezan a asociarse con estos iones y las micelas se rompen o no llegan a formarse. Por lo tanto, en zonas con aguas muy duras, los jabones formarán menos espuma y lavarán menos.

Técnicamente no es que laven menos, sino que necesitaremos más cantidad de jabón, ya que muchas de sus moléculas estarán asociándose con el calcio y el magnesio, y no serán capaces de formar micelas y atrapar la suciedad.

De hecho, si miráis en la parte de atrás de vuestro detergente, deberíais encontrar algo similar a lo que refleja la imagen de arriba a la derecha.

Como veis, el envase  incluye una tabla en la que se indica la cantidad de jabón recomendada según el tipo de agua de la zona. Generalmente, la etiqueta también incluye un pequeño mapa de España que debería parecerse al que véis a la derecha.

Una solución que nos permitiría gastar menos jabón y contaminar un poco menos el planeta sería hacernos con un descalcificador. Estos aparatos tratan el agua mediante una serie de procedimientos físicos (filtraciones con carbón activo, ósmosis) y químicos (con sustancias que, como las moléculas de jabón, atrapan los iones calcio y magnesio) que eliminan la mayor parte de la cal del agua. Pero esto ya es otra historia que quizás os contemos otro día.

 

* Fernando Gomollón Bel es investigador en el Instituto de Síntesis Química y Catálisis Homogénea (UZ-CSIC) y colabora habitualmente en el blog Moléculas a reacción.  Esta entrada participa en el XXXVII Carnaval de la Química – Edición Rb – alojado en este último blog.