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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).

Sólido, líquido, gaseoso, plasma… ¿Hay más estados de la materia?

jccanalda70Por José Carlos Canalda (CSIC)*

Todos hemos estudiado en el colegio que los estados de la materia eran tres: sólido, líquido y gaseoso. También habremos leído que el cuarto estado de la materia era el plasma, en realidad un gas cargado eléctricamente. Pero aparte de estos cuatro, ¿puede considerarse que hay más estados de la materia? Pues por ejemplo, si tenemos en cuenta que en realidad el estado sólido no es tal, sino un conjunto de diferentes formas de ‘solidificarse’ la materia, sí.

Los cristales son sólidos donde los átomos están colocados de forma ordenada / Josefina Perles Hernáez (FOTCIENCIA11)

Los cristales son sólidos donde los átomos están colocados de forma ordenada / Josefina Perles Hernáez (FOTCIENCIA11)

Aunque sabemos identificar de forma intuitiva un sólido, basta con estudiar su estructura interna para encontrarnos con diferencias muy importantes según estén distribuidas las partículas que lo componen (átomos, moléculas o iones, según el caso). También es relevante la movilidad relativa de estas partículas entre sí, es decir, su capacidad de moverse unas con respecto a otras.

Para empezar, es necesario diferenciar entre los cristales y los vidrios, advirtiendo que para los químicos los términos ‘cristal’ y ‘vidrio’ no tienen nada que ver (es más, son opuestos) con el uso habitual que se hace de ellos. Lo que llamamos cristal, como por ejemplo el de una botella, es en realidad un vidrio desde el punto de vista químico.

Las botellas no son cristales sino vidrios / Ardelfin

Las botellas no son cristales sino vidrios / Ardelfin

La diferencia entre ambos tipos de sólidos estriba en la forma en la que están constituidos ‘por dentro’: en un cristal las partículas que lo componen están rígidamente ordenadas siguiendo unas pautas geométricas determinadas, mientras que en un vidrio éstas se distribuyen al azar sin ningún tipo de orden, por lo que también podemos hablar de materiales amorfos. Los cristales serían el equivalente a un desfile militar y los vidrios a una calle llena de peatones paseando despreocupadamente. Así pues, el concepto diferenciador entre ambos es el de orden-desorden. Por cierto, un cristal no tiene por qué ser transparente -el diamante lo es, pero la pirita no- y, asimismo, hay vidrios transparentes -el de las botellas- y vidrios opacos, como la obsidiana o el ópalo.

La cosa se complica todavía más si consideramos que entre los cristales (orden total en las tres dimensiones) y los vidrios (desorden total en las tres dimensiones) podemos encontrarnos con situaciones intermedias, tal como ocurre con los polímeros. Estos materiales, cuyos componentes más conocidos son los plásticos, están constituidos por unas moléculas de gran tamaño, o macromoléculas, formadas por el ensamblado de otras más pequeñas, de forma similar a los eslabones de una cadena. Debido a sus dimensiones, para estas moléculas es difícil cristalizar, es decir, colocarse de una manera ordenada, razón por la cual en muchos polímeros se alternan las regiones cristalinas con las regiones amorfas, siendo por lo tanto unos materiales semicristalinos… Aunque no todos, ya que también existen polímeros amorfos. Lo que nunca podremos encontrar será polímeros completamente cristalinos.

Las partículas que componen os cristales están rígidamente ordenadas, mientras que en el caso de los vidrios se distribuyen al azar / Wikipedia

Las partículas que componen los cristales están rígidamente ordenadas, mientras que en el caso de los vidrios se distribuyen al azar / Wikipedia

Existen también unas estructuras intermedias denominadas mesofases, en las cuales nos encontramos con diferentes tipos de orden parcial; pero no como ocurría en los polímeros, en los que las regiones cristalinas al 100% alternaban con regiones amorfas también al 100%, sino de otra manera diferente, con orden total en una o dos de las tres dimensiones y desorden también total en las restantes. Éste es el caso de los cristales líquidos (móviles, pantallas táctiles, etc.), de los cuales existen dos grupos principales -aunque hay varios más- según sus átomos estén ordenados en una dirección, como ocurre con un manojo de espárragos, o en dos, tal y como sucede con un puñado de monedas desparramadas en una mesa. Sus nombres respectivos son nemáticos -del griego ‘nema’, ‘hilo’- y esmécticos.

Para terminar, nos encontramos con los cuasicristales, que poseen una estructura ordenada pero no periódica, es decir, que no se repite indefinidamente; y también con los cristales plásticos, en los cuales las moléculas que los conforman están distribuidas de una forma regular, pero gozan de cierta libertad de movimientos que les permite rotar parcialmente sobre su punto de equilibrio sin llegar a romper la estructura geométrica del cristal.

 

* José Carlos Canalda es doctor en ciencias químicas y pertenece al Instituto de Estructura de la Materia (CSIC). También mantiene una sección dedicada a la divulgación científica en su página personal http://www.jccanalda.es/