¿Cómo “se hace” la luz?

El Día Internacional de la Luz se celebra mundialmente para agradecer los beneficios de tener luz, y es el reconocimiento anual, cada 16 de mayo, a los avances y aportaciones que han sido posibles en la cultura, el arte y la sociedad. Se trata del aniversario de la primera vez que se hizo funcionar un láser. La fecha fue determinada por la Organización de Naciones Unidas, tras la celebración del Año Internacional de la Luz y las Tecnologías Basadas en la Luz en 2015, para mantener, impulsar y estimular las colaboraciones y contactos entre líderes del sector tecnológico y científico de la luz y así impulsar la difusión de las ventajas de su investigación y utilización.

En 1960 el ingeniero y físico Theodore Maiman logró que un láser de rubí construido por él, produjera por primera vez emisión estimulada de radiación. Sobre eso hablaré hoy, así que recordemos a los romanos y digamos fiat lux.

Se llama luz (del latín lux, lucis) a la parte de la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano. En física, el término luz es considerado como parte del campo de las radiaciones, conocido como espectro electromagnético, mientras que la expresión luz visible señala específicamente la radiación en el espectro visible.

El espectro electromagnético está constituido por todos los posibles niveles de energía que la luz puede tener. Hablar de energía es equivalente a hablar de longitud de onda; así, el espectro electromagnético abarca también todas las longitudes de onda que la luz pueda tener, desde miles de kilómetros hasta femtómetros. De todo el espectro, la porción que el ser humano es capaz de ver es muy pequeña en comparación con las otras regiones espectrales. Esa región, denominada espectro visible, comprende longitudes de onda desde los 380 nanómetros hasta los 780 nanómetros. El ojo humano percibe la luz de cada una de estas longitudes de onda como un color diferente, por eso, en la descomposición de la luz blanca en todas sus longitudes de onda, por prismas o por la lluvia en el arco iris, el ojo ve todos los colores.

Se ha demostrado teórica y experimentalmente que la luz tiene una velocidad finita. La primera medición con éxito fue hecha por el astrónomo danés Ole Roemer, en 1676, y desde entonces numerosos experimentos han mejorado la precisión con la que se conoce el dato. Actualmente el valor exacto aceptado para la velocidad de la luz en el vacío es de 299 792 458 metros por segundo.

UN POCO DE HISTORIA

A principios del siglo XVIII era creencia generalizada que la luz estaba compuesta de pequeñas partículas. Fenómenos como la reflexión, la refracción y las sombras de los cuerpos se podían esperar de torrentes de partículas. Isaac Newton demostró que la refracción estaba provocada por el cambio de velocidad de la luz al cambiar de medio y trató de explicarlo diciendo que las partículas aumentaban su velocidad al aumentar la densidad del medio.

La comunidad científica, consciente del prestigio de Newton, aceptó su teoría corpuscular. Se desechó entonces la teoría de Christian Huygens, quien en 1678 propuso que la luz era un fenómeno ondulatorio que se transmitía a través de un medio llamado éter. Esa teoría quedó olvidada hasta la primera mitad del siglo XIX, cuando Thomas Young solo era capaz de explicar el fenómeno de las interferencias suponiendo que la luz fuese en realidad una onda. Otros estudios de la misma época explicaron fenómenos como la difracción y la polarización teniendo en cuenta la teoría ondulatoria.

El golpe final a la teoría corpuscular llegó en 1848, cuando se consiguió medir la velocidad de la luz en diferentes medios y se encontró que variaba de forma totalmente opuesta a como lo había supuesto Newton. Debido a eso, casi todos los científicos aceptaron que la luz tenía una naturaleza ondulatoria. Sin embargo, todavía quedaban algunos puntos por explicar, como la propagación de la luz a través del vacío, ya que todas las ondas conocidas se desplazaban usando un medio físico, y la luz viajaba incluso más rápido que en el aire o el agua. Se suponía que ese medio era el éter del que hablaba Huygens, pero nadie lo podía encontrar.

En 1845, Michael Faraday descubrió que el ángulo de polarización de la luz se podía modificar aplicándole un campo magnético (efecto Faraday), proponiendo dos años más tarde que la luz era una vibración electromagnética de alta frecuencia. James Clerk Maxwell, inspirado por el trabajo de Faraday, estudió matemáticamente esas ondas electromagnéticas y se percató de que siempre se propagaban a una velocidad constante, que coincidía con la velocidad de la luz, y que no necesitaban medio de propagación ya que se autopropagaban. La confirmación experimental de las teorías de Maxwell eliminó las últimas dudas que se tenían sobre la naturaleza ondulatoria de la luz.

Pero, siempre hay un pero, a finales del siglo XIX, se encontraron nuevos efectos que no se podían explicar suponiendo que la luz fuese una onda, como, por ejemplo, el efecto fotoeléctrico, la emisión de electrones de las superficies de sólidos y líquidos cuando son iluminados. Los trabajos sobre el proceso de absorción y emisión de energía por parte de la materia solo se podían explicar si uno asumía que la luz se componía de partículas. Entonces la ciencia llegó a un punto muy complicado e incómodo: se conocían muchos efectos de la luz, sin embargo, unos solo se podían explicar si se consideraba que la luz era una onda, y otros solo se podían explicar si la luz era una partícula. El intento de explicar esta dualidad onda-partícula impulsó el desarrollo de la física durante el siglo XX. Otras ciencias, como la biología o la química se vieron revolucionadas ante las nuevas teorías sobre la luz y su relación con la materia.

ALGO DE FÍSICA

La luz presenta una naturaleza compleja: depende de cómo se observe se manifestará como una onda o como una partícula. Esos dos estados no se excluyen, sino que son complementarios. Sin embargo, para obtener un estudio claro y conciso de su naturaleza, se pueden clasificar los distintos fenómenos en los que participa según su interpretación teórica:

La teoría ondulatoria fue desarrollada por Christiaan Huygens, considera que la luz es una onda electromagnética, consistente en un campo eléctrico que varía en el tiempo generando a su vez un campo magnético y viceversa, ya que los campos eléctricos variables generan campos magnéticos (ley de Ampere), y los campos magnéticos variables generan campos eléctricos (ley de Faraday). De esa forma, la onda se autopropaga indefinidamente a través del espacio, con campos magnéticos y eléctricos generándose continuamente. Esas ondas electromagnéticas son sinusoidales, con los campos eléctrico y magnético perpendiculares entre sí y respecto a la dirección de propagación.

La teoría corpuscular estudia la luz como si se tratase de un torrente de partículas sin carga y sin masa llamadas fotones, capaces de transportar todas las formas de radiación electromagnética. Esa interpretación resurgió debido a que la luz, en sus interacciones con la materia, intercambia energía solo en cantidades discretas (múltiplos de un valor mínimo) de energía denominada cuantos. Ese hecho es difícil de combinar con la idea de que la energía de la luz se emita en forma de ondas, pero es fácilmente visualizado en términos de corpúsculos de luz o fotones.

La dualidad onda-corpúsculo, también llamada dualidad onda-partícula, es un fenómeno cuántico, bien comprobado empíricamente, por el cual muchas partículas pueden exhibir comportamientos típicos de ondas en unos experimentos mientras aparecen como partículas compactas y localizadas en otros. Dado ese comportamiento dual, es típico de los objetos mecanocúanticos, donde algunas partículas pueden presentar interacciones muy localizadas y como ondas exhiben el fenómeno de la interferencia. De acuerdo con la física clásica existen diferencias claras entre onda y partícula. Una partícula tiene una posición definida en el espacio y tiene masa mientras que una onda se extiende en el espacio caracterizándose por tener una velocidad definida y masa nula. El gran físico británico Stephen Hawking, decía en el año 2001 que la dualidad onda-partícula es un “concepto de la mecánica cuántica según el cual no hay diferencias fundamentales entre partículas y ondas: las partículas pueden comportarse como ondas y viceversa”.

La dualidad onda-corpúsculo fue introducida por Louis-Victor de Broglie, físico francés de principios del siglo XX. En 1924 en su tesis doctoral, inspirada en experimentos sobre la difracción de electrones, propuso la existencia de ondas de materia, es decir, que toda materia tenía una onda asociada a ella. Esa idea revolucionaria, fundada en la analogía con que la radiación tenía una partícula asociada, propiedad ya demostrada entonces, no despertó gran interés, pese a lo acertado de sus planteamientos, ya que no tenía evidencias de producirse. Sin embargo, Einstein reconoció su importancia y cinco años después, en 1929, De Broglie recibió el Nobel en Física por su trabajo.

FENÓMENOS DE LA LUZ

La refracción es la variación brusca de dirección que sufre la luz al cambiar de medio. Ese fenómeno se debe al hecho de que la luz se propaga a diferentes velocidades según el medio por el que viaja. El cambio de dirección es mayor cuanto mayor es el cambio de velocidad, ya que la luz recorre mayor distancia en su desplazamiento por el medio en que va más rápido. Como la refracción depende de la energía de la luz, cuando se hace pasar luz blanca o policromática a través de un medio con caras no paralelas, como un prisma, se produce la separación de la luz en sus diferentes componentes (colores) según su energía, en un fenómeno denominado dispersión refractiva. Si el medio tiene las caras paralelas, la luz se vuelve a recomponer al salir de él. Ejemplos muy comunes de la refracción es la ruptura aparente que se ve en un lápiz al introducirlo en agua, donde se aprecian dos partes, la de fuera y la de dentro del agua, otro ejemplo es el arcoíris.

Una de las propiedades de la luz más evidentes a simple vista es que se propaga en línea recta. Se puede ver, por ejemplo, en la propagación de un rayo de luz a través de ambientes polvorientos o de atmósferas saturadas. La óptica geométrica parte de esta premisa para predecir la posición de la luz, en un determinado momento, a lo largo de su transmisión. De la propagación de la luz y su encuentro con objetos surgen las sombras. Si interponemos un cuerpo opaco en el camino de la luz y a continuación una pantalla se obtendrá sobre ella la sombra del cuerpo. Si el origen de la luz se encuentra lejos del cuerpo, de tal forma que, relativamente, sea más pequeño que el cuerpo, se producirá una sombra definida. Si se acerca el foco al cuerpo surgirá una sombra en la que se distinguen una región más clara denominada penumbra y otra más oscura denominada umbra. Sin embargo, la luz no siempre se propaga en línea recta. Cuando la luz atraviesa un obstáculo puntiagudo o una abertura estrecha, el rayo se curva ligeramente. Ese fenómeno, denominado difracción, es el responsable de que al mirar a través de un agujero muy pequeño todo se vea distorsionado o de que los telescopios y microscopios tengan un número de aumentos máximo limitado.

Resumiendo las ideas, cuando los rayos de luz que se propagan en línea recta chocan contra un cuerpo pueden ocurrir los siguientes fenómenos:

• Que una parte de la luz rebote en la superficie del cuerpo y retroceda: la luz se refleja.
• Si el cuerpo es transparente o traslúcido, una parte de la luz que le llega lo atraviesa: la luz se refracta.
• Otra parte de la luz que le llega es absorbida por el cuerpo, pudiendo provocar diversos efectos, como que se caliente, una reacción química o una pequeña corriente eléctrica.

Al incidir los rayos del Sol en una ventana predomina la refracción, mientras que sobre un espejo predomina la reflexión, gracias a la reflexión de la luz se pueden ver los objetos que no tienen luz propia, pues los rayos de luz que inciden sobre el objeto se reflejan en él y llegan a nuestros ojos. Los ejemplos más claros que se tienen son cuando se mira a la Luna, que no tiene luz propia, pero refleja la que le llega del Sol, o cuando se mira en un espejo: los rayos de luz se reflejan primero en el cuerpo y después en el espejo, permitiendo la visión. Sin embargo, a oscuras no se ve nada en el espejo, ya que no le llega ningún rayo de luz directa o reflejada.

Después de mostrar estos elementos para conocer qué es la luz se puede decir que ella es imprescindible para todos los organismos vivos, sin ella las plantas no pudiesen existir al no poder realizar la fotosíntesis y, por tanto, se rompería la cadena alimenticia de todo el reino animal, incluyendo por supuesto al hombre; es decir, no existiría vida en la Tierra; ese sería uno de los efectos que tendría un intercambio de golpes nucleares con solo 100 ojivas de las miles que se almacenan hoy día.

Desde que el hombre conoció el fuego, o Prometeo se lo entregó desafiando a Júpiter, según se quiera ver, la luz que irradiaban las llamas ya fuera en antorchas o en velas acompañaron a los humanos en su devenir y amplió sus posibilidades en todos los aspectos, ya en el siglo XIX se usan las lámparas de aceite y desde el final de esa centuria irrumpe con una fuerza arrolladora la bombilla eléctrica o incandescente, un filamento metálico encerrado en una cámara de cristal al vacío que se ilumina al pasar por él la corriente eléctrica, sin embargo, este artilugio tenía el gran inconveniente que la mayor parte de la energía se desperdiciaba en forma de calor, el filamento con el tiempo se rompía y tenía un alto consumo energético.

Un paso adelante fueron las lámparas fluorescentes. Su ventaja frente a las incandescentes es su eficiencia energética. La lámpara consiste en un tubo de vidrio fino revestido interiormente con diversas sustancias químicas compuestas, esos compuestos químicos emiten luz visible al recibir una radiación ultravioleta. El tubo contiene además una pequeña cantidad de vapor de mercurio y un gas inerte, habitualmente argón o neón, a una presión más baja que la presión atmosférica. En cada extremo del tubo se encuentra un filamento hecho de tungsteno, que al calentarse al rojo contribuye a la ionización de los gases. La gran ventaja de ese tipo de lámparas es su, relativamente, reducido consumo de energía, frente a las lámparas incandescentes, lo que a un uso muy extenso, especialmente en edificios de uso público y oficinas, pero en el consumo interviene no solo la propia lámpara, sino también la luminaria y el sistema de encendido. En comparación con las lámparas incandescentes, las fluorescentes tienen una vida útil más larga y consumen menos energía eléctrica para producir la misma cantidad de luz. Se debe tener en cuenta que las lámparas fluorescentes son consideradas residuos peligrosos debido a su contenido de vapor de mercurio que produce envenenamiento por mercurio, por lo cual se deben desechar adecuadamente para evitar efectos ambientales negativos, algo que en Cuba es una tarea pendiente.

El siguiente paso fue la lámpara fluorescente compacta, en Cuba se le conoce como bombillos ahorradores, es un tipo de lámpara que aprovecha la tecnología de los tradicionales tubos fluorescentes para hacer lámparas de menor tamaño que puedan sustituir a las lámparas incandescentes con pocos cambios en la armadura de instalación y con menor consumo. La luminosidad emitida por un fluorescente depende de la superficie emisora, por lo que este tipo de lámparas aumentan su superficie doblando o enrollando el tubo de diferentes maneras.

En la primera década de este siglo, Cuba emprendió un programa de cambio de todas las bombillas incandescentes existentes en el país por las ahorradoras, lo que implicó un sustancial ahorro en el consumo eléctrico del país y, por tanto, de emisión de gases de efecto invernadero, siendo un aporte concreto de Cuba en la lucha contra el calentamiento global; Cuba compartió esa iniciativa con otros países.

El desarrollo más reciente en el campo de la iluminación son las lámparas LED, que es una lámpara de estado sólido que usa diodos emisores de luz (LED) como fuente lumínica. Debido a que la luz capaz de emitir un LED no es muy intensa, para alcanzar la intensidad luminosa similar a las otras lámparas existentes, como las incandescentes o las fluorescentes compactas, las lámparas LED están compuestas por agrupaciones de estos, en mayor o menor número, según la intensidad luminosa deseada. Actualmente las lámparas de LED se pueden usar para cualquier aplicación comercial, y presentan ventajas, entre las que destacan su considerable ahorro energético, arranque instantáneo, aguante a los encendidos y apagados continuos y su mayor vida útil, pero también con inconvenientes como su elevado costo inicial. Los diodos funcionan con energía eléctrica de corriente continua, de modo que las lámparas de LED deben incluir circuitos internos para operar desde la corriente alterna normal. Los LED se dañan a altas temperaturas, por lo que estas lámparas tienen elementos de gestión del calor, tales como disipadores y aletas de refrigeración. Las lámparas de LED tienen una vida útil larga y una gran eficiencia energética, pero los costos iniciales son más altos que los de las lámparas fluorescentes.

Si está leyendo este artículo en la noche mire a la lámpara más cercana y sonríale, ella se lo merece. Bueno, chirrín chirrán por hoy.

Ah, y recuerden, si me ven en algún lugar, me saludan.