La Luz es lo que nos permite entender el mundo en el que vivimos. Nuestro lenguaje refleja esto: después de andar a tientas en la oscuridad, vemos la luz y la comprensión amanece.
sin embargo, la luz es una de esas cosas que no tendemos a entender. Si tuvieras que hacer zoom en un rayo de luz, ¿qué verías? Claro, la luz viaja increíblemente rápido, pero ¿qué es lo que está haciendo el viaje? Muchos de nosotros lucharíamos para explicar.
no tiene que ser así., La luz ciertamente ha desconcertado a las mentes más grandes durante siglos, pero los descubrimientos históricos hechos en los últimos 150 años han robado a la luz su misterio. En realidad sabemos, más o menos, lo que es.
los físicos de hoy no solo entienden la naturaleza de la luz, sino que están aprendiendo a controlarla con cada vez mayor precisión, lo que significa que la luz pronto podría ponerse a trabajar de nuevas y sorprendentes formas. Esa es parte de la razón por la que las Naciones Unidas designaron 2015 como el Año Internacional de la luz.
Hay todo tipo de formas de describir la luz., Pero podría ayudar empezar con esto: la luz es una forma de radiación.
no fue hasta finales del siglo XIX que los científicos descubrieron la identidad exacta de la radiación de la luz
esto con suerte tiene algún sentido. Todos sabemos que demasiada luz solar puede desencadenar cáncer de piel. También sabemos que la exposición a la radiación puede aumentar el riesgo de desarrollar algunas formas de cáncer, por lo que no es difícil juntar los dos.
pero no todas las formas de radiación son iguales., No fue hasta finales del siglo XIX que los científicos descubrieron la identidad exacta de la radiación de luz.
lo extraño es que este descubrimiento no vino del estudio de la luz. En cambio, surgió de décadas de trabajo en la naturaleza de la electricidad y el magnetismo.
La electricidad y el magnetismo parecen cosas muy diferentes. Pero científicos como Hans Christian Oersted y Michael Faraday establecieron que están profundamente entrelazados.
Oersted encontró que una corriente eléctrica que pasa a través de un cable desvía la aguja de una brújula magnética., Mientras tanto, Faraday descubrió que mover un imán cerca de un cable puede generar una corriente eléctrica en el cable.
Maxwell demostró que los campos eléctricos y magnéticos viajan a la manera de ondas
Los matemáticos de la época se pusieron a usar estas observaciones para crear una teoría que describiera este extraño fenómeno nuevo, al que llamaron «electromagnetismo». Pero no fue hasta que James Clerk Maxwell vio el problema que surgió una imagen completa.
La contribución de Maxwell a la ciencia es enorme., Albert Einstein, quien fue inspirado por Maxwell, dijo que cambió el mundo para siempre. Entre muchas otras cosas, sus cálculos ayudaron a explicar lo que es la luz.
Maxwell mostró que los campos eléctricos y magnéticos viajan a la manera de las ondas, y que esas ondas se mueven esencialmente a la velocidad de la luz. Esto permitió a Maxwell predecir que la luz en sí misma era transportada por ondas electromagnéticas, lo que significa que la luz es una forma de radiación electromagnética.,
a finales de la década de 1880, unos años después de la muerte de Maxwell, el físico alemán Heinrich Hertz se convirtió en el PRIMERO en demostrar formalmente que el concepto teórico de Maxwell de la onda electromagnética era correcto.
en 1861 dio a conocer la primera fotografía duradera en color
«estoy convencido de que si Maxwell y Hertz hubieran vivido en la era del Premio Nobel, seguramente habrían compartido una», Dice Graham Hall de la Universidad de Aberdeen en el Reino Unido, donde Maxwell trabajó a finales de la década de 1850.,
Maxwell ocupa un lugar en los anales de la ciencia de la luz por otra razón más práctica. En 1861 dio a conocer la primera fotografía duradera en color, producida utilizando un sistema de filtro de tres colores que todavía forma la base de muchas formas de fotografía en color hoy en día.
aún así, la idea de que la luz es una forma de radiación electromagnética puede no significar demasiado. Pero esta idea ayuda a explicar algo que todos entendemos: la luz es un espectro de colores.
Esta es una observación que se remonta al trabajo de Isaac Newton., Vemos este espectro de colores en todo su esplendor cada vez que un arco iris cuelga en el cielo, y esos colores se relacionan directamente con el concepto de ondas electromagnéticas de Maxwell.
muchos animales pueden ver realmente ultravioleta, y también algunas personas
La luz roja a lo largo de un borde del arco iris es radiación electromagnética con una longitud de onda de aproximadamente 620 a 750 nanómetros; la luz violeta a lo largo del borde opuesto es radiación con una longitud de onda de 380 a 450 nm.
pero la radiación electromagnética es mucho más que estos colores visibles., La luz con longitudes de onda ligeramente más largas que la luz roja que vemos se llama infrarroja. La luz con longitudes de onda ligeramente más cortas que la violeta se llama ultravioleta.
muchos animales pueden ver el ultravioleta, y también algunas personas, dice Eleftherios Goulielmakis del Instituto Max Planck de óptica cuántica en Garching, Alemania. En algunas circunstancias, incluso el infrarrojo es visible para los humanos. Tal vez por eso no es raro ver tanto ultravioleta como Infrarrojo descritos como formas de luz.,
curiosamente, sin embargo, ir a longitudes de onda electromagnéticas aún más largas – o más cortas – y dejamos de usar la palabra «luz».
Más allá del ultravioleta, las longitudes de onda electromagnéticas pueden ser más cortas que 100nm. Este es el Reino de los rayos X y los rayos gamma. A menudo, no oirá que los rayos X se describen como una forma de luz.
no hay ninguna diferencia física real entre las ondas de radio y la luz visible
«Un científico no diría ‘estoy brillando luz de rayos X en el objetivo’. Decían ‘estoy usando rayos X'», dice Goulielmakis.,
mientras tanto, ir más allá de la longitud de onda infrarroja y electromagnética se extiende a 1 cm e incluso hasta miles de kilómetros. Estas ondas electromagnéticas reciben nombres familiares como microondas y ondas de radio. Puede parecer extraño pensar en las ondas de radio utilizadas en la radiodifusión como luz.
«no hay una diferencia física real entre las ondas de radio y la luz visible desde el punto de vista de la física», dice Goulielmakis. «Los describirías con exactamente el mismo tipo de ecuaciones y matemáticas.»Solo nuestro lenguaje cotidiano los trata como diferentes.,
así que tenemos otra definición de luz. Es el rango muy estrecho de radiación electromagnética que nuestros ojos pueden ver realmente. En otras palabras, la luz es una etiqueta subjetiva que solo usamos porque nuestros sentidos son limitados.
para obtener más evidencia de cuán subjetivo es nuestro concepto de luz, piense en el arco iris.
La mayoría de la gente aprende que el espectro de luz contiene siete colores principales: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta. Incluso se nos dan prácticas mnemotécnicas y canciones para recordarlas.,
mira un arco iris fuerte y probablemente puedas convencerte de que los siete colores están en exhibición. Sin embargo, el propio Newton luchó por verlas todas.
de hecho, los investigadores ahora sospechan que solo dividió el arco iris en siete colores porque el número siete era tan significativo en el mundo antiguo: por ejemplo, hay siete notas en una escala musical, y siete días en una semana.
el trabajo de Maxwell sobre electromagnetismo nos llevó más allá de todo esto, y mostró que la luz visible era parte de un espectro más grande de radiación. También parecía explicar finalmente la naturaleza de la luz.,
durante siglos, los científicos han estado tratando de precisar la forma real que toma la luz a una escala fundamental a medida que viaja desde una fuente de luz a nuestros ojos.
Newton se dio cuenta de que los rayos de luz obedecían reglas geométricas muy estrictas
algunos pensaron que la luz viajaba en forma de ondas o ondulaciones, ya sea a través del aire o de un «éter»Más nebuloso. Otros pensaron que este modelo de onda estaba equivocado e imaginaron la luz como una corriente de partículas diminutas.,
Newton prefirió esta segunda opción, particularmente después de una serie de experimentos que realizó usando luz y espejos.
se dio cuenta de que los rayos de luz obedecían reglas geométricas muy estrictas. Brillar un rayo contra un espejo y rebotó en exactamente la misma manera que una pelota se si fueron lanzados contra el espejo. Las ondas no necesariamente se mueven en líneas rectas tan predecibles, razonó, por lo que la luz debe ser transportada por alguna forma de partículas diminutas e ingrávidas.
el problema es que había evidencia igualmente convincente de que la luz es una onda.,
una de las demostraciones más famosas de esto llegó en 1801. El «experimento de doble rendija» de Thomas Young es el tipo de experimento que cualquiera puede replicar en casa.
tome una hoja de tarjeta gruesa y cuidadosamente haga dos hendiduras verticales delgadas a través de ella. A continuación, obtener una fuente de luz «coherente», que solo produce luz de una longitud de onda particular: un láser va a hacer muy bien. Ahora haz brillar la luz a través de las dos ranuras sobre otra superficie.
en esa segunda superficie, es posible que espere ver dos líneas verticales brillantes donde parte de la luz ha pasado a través de las dos ranuras., Pero cuando Young realizó el experimento, vio una secuencia de líneas claras y oscuras como un código de barras.
Cuando la luz pasa a través de las ranuras delgadas, se comporta de la misma manera que las ondas de agua cuando pasan a través de una abertura estrecha: se difractan y se extienden en forma de ondas hemisféricas.
Cuando las «ondas de luz» de las dos ranuras se golpean entre sí fuera de fase se cancelan, formando barras oscuras. Cuando las ondas se golpean entre sí en fase, se suman para formar líneas verticales brillantes.,
El experimento de Young fue una evidencia convincente del modelo de onda, y el trabajo de Maxwell puso la idea sobre una base matemática sólida. La luz es una ola.
pero luego vino la revolución cuántica.
en la segunda mitad del siglo XIX, los físicos estaban tratando de entender cómo y por qué algunos materiales absorbían y emitían radiación electromagnética mejor que otros.,
en 1900, Max Planck resolvió el problema
que puede sonar un poco nicho, pero la industria de la luz eléctrica estaba emergiendo en ese momento, por lo que los materiales que podían emitir luz eran una gran cosa.
a finales del siglo XIX, los científicos habían descubierto que la cantidad de radiación electromagnética liberada por un objeto cambiaba dependiendo de su temperatura, y habían medido estos cambios. Pero nadie sabía por qué sucedió.
en 1900, Max Planck resolvió el problema., Descubrió que los cálculos podrían explicar esos cambios, pero solo si asumía que la radiación electromagnética se mantenía en pequeños paquetes discretos. Planck los llamó «quanta», el plural de»quantum».
unos años más tarde, Einstein utilizó esta idea para explicar otro experimento desconcertante.
Los físicos habían descubierto que un trozo de metal se carga positivamente cuando se baña en luz visible o ultravioleta. Llamaron a esto el»efecto fotoeléctrico».,
esto no tiene mucho sentido si la luz es simplemente una onda
La explicación fue que los átomos en el metal estaban perdiendo electrones cargados negativamente. Aparentemente, la luz entregó suficiente energía al metal para sacudir a algunos de ellos.
Pero el detalle de lo que los electrones estaban haciendo era extraño. Se podría hacer que transportaran más energía simplemente cambiando el color de la luz. En particular, los electrones liberados de un metal bañado en luz violeta transportaban más energía que los electrones liberados por un metal bañado en luz roja.,
esto no tiene mucho sentido si la luz es simplemente una onda.
normalmente cambias la cantidad de energía en una ola haciéndola más alta-piensa en el poder destructivo de un tsunami alto – en lugar de hacer que la ola en sí sea más larga o más corta.
cada quantum contiene un golpe de energía discreto
por extensión, la mejor manera de aumentar la energía que la luz transfiere a los electrones debe ser haciendo que las ondas de luz sean más altas: es decir, haciendo que la luz sea más brillante., Cambiar la longitud de onda, y por lo tanto el color, no debería hacer tanta diferencia.
Einstein se dio cuenta de que el efecto fotoeléctrico era más fácil de entender al pensar en la luz en términos de cuantos de Planck.
sugirió que la luz se lleva en pequeños paquetes cuánticos. Cada cuántica contiene un golpe de energía discreto que se relaciona con la longitud de onda: cuanto más corta sea la longitud de onda, más denso será el golpe de energía. Esto explicaría por qué los paquetes de luz violeta, con una longitud de onda relativamente corta, transportaban más energía que los paquetes de luz roja, con uno relativamente más largo.,
también explicó por qué simplemente aumentar el brillo de la luz hizo menos impacto.
una fuente de luz más brillante entrega más paquetes de luz al metal, pero no cambia la cantidad de energía que contiene cada paquete de luz. Groseramente hablando, un solo paquete de luz violeta podría transferir más energía a un solo electrón que cualquier número de paquetes de luz roja.,
Los científicos decidieron que la luz se comportaba como una onda y una partícula al mismo tiempo
Einstein llamó a estos paquetes de energía fotones, y estos ahora son reconocidos como una partícula fundamental. La luz Visible es transportada por fotones, al igual que todos los otros tipos de radiación electromagnética como los rayos X, Las microondas y las ondas de radio. En otras palabras, la luz es una partícula.
en este punto los físicos decidieron poner fin al debate sobre si la luz se comportaba como una onda o una partícula., Ambos modelos eran tan convincentes que ninguno podía ser rechazado.
para la confusión de muchos no físicos, los científicos decidieron que la luz se comportaba como una onda y una partícula al mismo tiempo. En otras palabras, la luz es una paradoja.
Los físicos, sin embargo, no tienen ningún problema con la identidad dividida de la luz. En todo caso, hace que la luz sea doblemente útil. Hoy, basándonos en el trabajo de luminarias – literalmente «dadoras de luz» – como Maxwell y Einstein, estamos exprimiendo aún más la luz.,
resulta que las ecuaciones utilizadas para describir la luz como onda y la luz como partícula funcionan igual de bien, pero en algunas circunstancias una es más fácil de usar que la otra. Así que los físicos cambian entre ellos, al igual que usamos metros para describir nuestra propia altura, pero cambiamos a kilómetros para describir un paseo en bicicleta.
Las partículas enredadas se pueden usar para comunicar información
algunos físicos están tratando de usar la luz para crear canales de comunicación cifrados: para transferencias de dinero, por ejemplo., Para ellos, tiene sentido pensar en la luz como partículas.
esto se debe a otra extraña peculiaridad de la física cuántica. Dos partículas fundamentales, como un par de fotones, pueden «enredarse». Esto significa que comparten propiedades sin importar cuán lejos estén el uno del otro, por lo que pueden usarse para comunicar información entre dos puntos en la Tierra.
otra característica de este entrelazamiento es que el estado cuántico de los fotones cambia cuando se leen., Eso significa que si alguien intentara espiar un canal encriptado usando las propiedades cuánticas de la luz, en teoría, traicionaría inmediatamente su presencia.
Otros, como Goulielmakis, están utilizando la luz en la electrónica. Para ellos es mucho más útil pensar en la luz como una serie de ondas que pueden ser domados y controlado.
Los dispositivos modernos llamados «sintetizadores de campo de luz» pueden acorralar las ondas de luz en perfecta sincronía entre sí. Como resultado, crean pulsos de luz que son mucho más intensos, de corta duración y dirigidos que la luz de una bombilla ordinaria.,
literalmente tomaron fotos de ondas de luz en movimiento
durante los últimos 15 años, estos dispositivos se han utilizado para domar la luz en un grado extraordinario.
en 2004 Goulielmakis y sus colegas lograron producir pulsos increíblemente cortos de radiación de rayos X. Cada pulso duró solo 250 attosegundos, o 250 quintillonésimas de segundo.
Usando estos pequeños pulsos como un flash de cámara, lograron capturar imágenes de ondas individuales de luz visible, que oscilan bastante más lentamente. Literalmente tomaron fotos de ondas de luz moviéndose.,
«desde Maxwell sabemos que la luz es un campo electromagnético oscilante, pero nadie soñó que podríamos capturar la luz mientras oscila», dice Goulielmakis.
Ver esas ondas de luz individuales es un primer paso para controlarlas y esculpirlas, dice, de la misma manera que ya esculpimos ondas electromagnéticas mucho más largas, como las ondas de radio que transmiten señales de radio y televisión.
hace un siglo, el efecto fotoeléctrico mostró que la luz visible afecta a los electrones en un metal., Goulielmakis dice que debería ser posible manipular con precisión esos electrones, utilizando ondas de luz visible que han sido moldeadas para interactuar con los metales de una manera cuidadosamente definida. «Podemos controlar la luz, y a través de ella podemos controlar la materia», dice.
Los ojos humanos son detectores de fotones que utilizan la luz visible para aprender sobre el mundo que nos rodea
que podrían revolucionar la electrónica, dando lugar a nuevas generaciones de computadoras ópticas que son más pequeñas y más rápidas que las que tenemos hoy en día., «Se trata de poner los electrones en movimiento de la manera que queremos, creando corrientes eléctricas dentro de los sólidos utilizando la luz, en lugar de la electrónica convencional.»
así que hay una forma más de describir la luz: la luz es una herramienta.
eso no es nada nuevo. La vida ha estado aprovechando la luz desde que los primeros organismos primitivos evolucionaron tejidos sensibles a la luz. Los ojos humanos son detectores de fotones que utilizan la luz visible para aprender sobre el mundo que nos rodea.
la tecnología moderna simplemente está llevando esta idea aún más lejos., En 2014, el Premio Nobel de Química fue otorgado a los investigadores que construyeron un microscopio de luz tan poderoso que se pensó que era físicamente imposible. Resultó que, con un poco de persuasión, la luz nos mostraría cosas que pensamos que nunca veríamos.