Al observar una cierta ignorante arrogancia de algunos científicos acerca de qué es la luz, Albert Einstein diría -algo frustrado- al cabo de más de 50 años estudiándola: “Hoy cualquier pillo cree que conoce la respuesta, pero se está engañando a sí mismo”. Para él la luz seguiría encerrando un profundo misterio.

Nosotros, ¿sí creemos saberlo?

No es así. Lo que podemos contar acerca de la luz son, más bien, sus distintos comportamientos y, difícilmente podremos decir algo sobre su naturaleza más profunda. Aun así, lo que podemos narrar es fascinante.

Digamos, primero, que la luz es lo más rápido que existe en la naturaleza.

Se propaga en el vacío a 300.000 kilómetros por segundo. Además, destaquemos ese hecho adicional: la luz se propaga en el vacío, un espacio que entendemos desprovisto de toda materia, sin ni siquiera aire o molécula alguna. Ambos hechos, el que la luz sea lo más rápido en la naturaleza y que se propague en el completo vacío, plantean el primer, y más difícil y esquivo dilema.

Pero, ¿cuál es ese dilema tan esquivo?

Einstein, en 1905, destruyó la idea de que la luz, para desplazarse, necesita un medio material que, en ese entonces, se conocía como éter. No hablamos de ese gas, el éter dimetílico, compuesto por carbono, hidrógeno y oxígeno que, por muchos años, se usó como anestésico. El éter que se decía que transportaba la luz era un elemento ligero, invisible, de una elasticidad portentosa, inmanente al espacio mismo y que llenaba completamente, entre las estrellas, en el interior de la materia; incluso, dentro de nosotros mismos: la quintaesencia del universo.

El razonamiento era que la luz, siendo una onda como el sonido o las olas del mar, requeriría un medio material que la propague; algo que vibre, como el agua que sube y baja y así hace que las olas se muevan. Einstein enuncia su teoría de la relatividad, en ese 1905, asumiendo que tal hipótesis del éter era superflua, innecesaria, y que nos confundía acerca de la verdadera naturaleza de la luz.

Con esa idea de que no existe la necesidad de un medio material para que la luz se propague, deduce que cualquier observador que mida la velocidad de la luz en el vacío obtendrá el mismo resultado: más exactamente, 299.792.458 metros por segundo. Esto quiere decir que si un observador se mueve directamente hacia una fuente de luz, hacia la linterna que nos envía esa luz, no notará diferencia en su velocidad. Para ser más claros, y usando una comparación, si nos movemos hacia una fuente de sonido, la onda sonora se moverá más rápido hacia nosotros. Es similar a lo que ocurre cuando, conduciendo en una carretera, vemos acercarse un vehículo en sentido contrario: el vehículo que viene correrá mucho más rápido hacia nosotros, porque su velocidad relativa respecto de nuestro automóvil será la suma de ambas velocidades, la nuestra y la del otro vehículo. Pues, con la luz no pasa lo mismo. Y la razón es muy simple.

El vacío es simplemente la nada misma; luego, el vacío tiene las mismas propiedades para un observador que para otro.

Más claramente y tomando la comparación anterior, el sonido se mueve en aire con una velocidad de 340 metros por segundo, aproximadamente. Ese número es respecto del aire quieto, del aire en reposo. Si nosotros nos movemos hacia la fuente de sonido, también nos moveremos respecto del aire: sentiremos el viento en nuestra cara. Así, la velocidad del sonido, respecto del aire en movimiento, debe incluir la velocidad del aire respecto del observador. Luego, ¿qué ocurre con la luz?

Como la luz se propaga en el vacío, y el vacío no posee propiedades materiales, ningún observador puede decir que siente “el viento del vacío”. No existe tal cosa. Así, la velocidad de la luz es completamente democrática: tanto el observador que sostiene la linterna como nosotros que corremos hacia ella tendremos el mismo vacío como referencia, ni quieto ni en movimiento; siempre el mismo. Y la velocidad de la luz que viaja desde la linterna será la misma para ambos observadores.

Las consecuencias de lo anterior son dramáticas: las medidas del tiempo y del espacio serán relativas al observador. Pero eso es motivo de otro artículo.

El propio Einstein notará, sin embargo, algo aún más extraño respecto de la luz.

La luz, considerada como una onda hasta los comienzos del siglo XX, de repente se mostrará compuesta de partículas; cuantos de luz que chocan con la materia y que producen efectos que no tienen ninguna manera de ser entendidos si no se considera a la luz efectivamente como un conjunto de corpúsculos. El misterio, en este caso, es que las ondas y las partículas generan fenómenos completamente diferentes. En este texto será largo explicar por qué es así.

Digamos, simplemente, que todos los fenómenos de la luz no pueden ser entendidos con una única hipótesis. Si la luz es una onda, entonces hay situaciones en que participa la luz que no son entendibles en absoluto; si la luz es una partícula, otro grupo de fenómenos resulta inexplicable.

Hay una dualidad inherente al comportamiento de la luz.

Hoy llamamos fotones a estos cuantos de luz. Quizás, diríamos, es por eso que la luz se mueve siempre a la misma velocidad, pues las partículas simplemente se mueven en el espacio sin necesidad de que haya un medio que las ayude a moverse. ¡Craso error! Si nuestro contendor en un partido de tenis nos dispara la pelota y nosotros corremos hacia ella, aquella volará más rápido, a su propia velocidad, más la nuestra en el acercamiento. Igual que el automóvil que viene por la pista opuesta. Por consiguiente, el misterio permanece.

Así, tenemos dos misterios que resolver: la constancia de la velocidad de la luz en el vacío y su comportamiento, a veces como onda, a veces como partícula. ¿Se entiende ahora por qué Einstein permaneció extraordinariamente cauteloso respecto de la naturaleza de la luz?

¿Hemos progresado, después de 1905, en el entendimiento de lo que la luz es?

Diría que definitivamente no, respecto de su naturaleza íntima, aunque sobre la dualidad onda-partícula sí ha habido avances. Esa incongruencia se aminora, significativamente, por la forma en que hoy entendemos los fenómenos más fundamentales de la naturaleza, aquellos que involucran las partículas elementales que conforman todo lo que encontramos en el universo, entre ellos los fotones de luz. Es una teoría unificada, que combina relatividad y mecánica cuántica: es la teoría cuántica de campos, un área muy compleja que, no obstante, aún tiene sus propios misterios.

Pero, hay más. Será el mismo Einstein que nos revelará algo aún más sorprendente: la curvatura del espacio-tiempo.

La idea surgió en 1907 y cuajó diez años después. Einstein se dio cuenta de que la gravedad no es un fenómeno explicado por una fuerza, sino el resultado de una geometría inusual del espacio. Si el espacio es como lo imaginó Euclides en la antigua Grecia, entonces la distancia más corta entre dos puntos es una línea recta. Y la suma de ángulos de un triángulo es siempre 180 grados. Sin embargo, el espacio no es siempre así. A veces, no es la línea recta el camino más corto entre dos puntos; a veces, la suma de esos ángulos del triángulo es más de 180 grados. Todo esto, en el más completo vacío de materia.

Adivinen qué fenómeno permite descubrir cómo es el espacio: si es Euclideano o no. Pues, ¡la luz!

Cuando la luz pasa cerca de un cuerpo muy masivo, como una estrella, una de ellas nuestro Sol, sigue una trayectoria curva. Pero, ¿por qué ocurre eso?

No es la atracción del Sol sobre el rayo de luz.

Sabemos que las partículas de luz, los fotones, no tienen masa. Eso quiere decir que, si aplicamos la ley de gravitación de Newton, simplemente no experimentarían ninguna fuerza y, por consiguiente, no deberían ser atraídas y desviadas de su trayectoria, como sí le ocurriría a un cometa que pasa cerca del Sol. La respuesta la dio Einstein:

Es el espacio cerca del Sol el que ve alterada su geometría: la distancia más corta entre dos puntos no es allí una recta.

Demás está decir que la teoría de Einstein debía ser comprobada. Esto es, si es el espacio el que se altera. habrá otros fenómenos que ocurrirán como consecuencia de aquello. La ciencia funciona así. Vemos un fenómeno e inventamos una teoría para explicarlo. Pero, esa invención, esa hipótesis debe implicar otras cosas, fenómenos que aún no hemos visto. Luego, hay que explorar si esos fenómenos realmente ocurren.

La teoría de la gravitación de Einstein, llamada también, la Relatividad General, sí pasó esa prueba; y muchas más hasta el día de hoy. Por ejemplo, el sistema de satélites del Global Positioning System (GPS) basa su precisión en ubicar el punto de la Tierra donde nos encontramos usando las ecuaciones de la teoría de la Relatividad General.

En suma, ¿qué es la luz?

Ciertamente, no lo sabemos. Pero, sí nos damos cuenta que la luz es un testigo privilegiado del comportamiento más íntimo de la naturaleza, y eso sí sabemos describirlo con precisión, con ecuaciones y todo eso. Con la Relatividad de 1905, descubrimos que tiempo y espacio están ligados entre sí y que sus medidas son relativas al observador. Con la teoría cuántica, hemos construido la base de casi toda la tecnología electrónica que hoy nos rodea. Con la Relatividad General resolvimos el misterio del comportamiento extraño de la órbita de Mercurio, incrementado la precisión del GPS, predicho los extraños agujeros negros, y visualizado cómo empezó el universo.

Einstein predijo la expansión del universo, mucho antes de que eso fuera medido por los astrónomos. Esto, gracias al conocimiento de la luz.

La luz está en todas las cosas. Ni hablar del papel maravilloso que juega en el arte. Ha sido estudiada y explorada en sus manifestaciones más íntimas y novedosas. En la biología, la percepción de la luz por los seres vivos ha sido un importante tema de estudio, con resultados muy sorprendentes. Humberto Maturana y su laboratorio han sido parte importante de esto último. La luz es también la fuente de energía de la fotosíntesis en las plantas, y de donde todos los seres vivos resultamos como consecuencia. Y, en los dominios de la producción de bienes materiales, las nuevas tecnologías en automatización, robótica e inteligencia artificial tienen a lo visual como un ingrediente de primera importancia.

La luz no se reduce a lo que vemos los seres humanos. La luz es parte de un enorme espectro de radiaciones electromagnéticas, desde las ondas de radio a los rayos gamma. Por consiguiente, la luz también está presente todos los días en nuestros laboratorios, en nuestro reactor de investigación, en los ‘facilities’ de irradiación, en el análisis del espectro de radiación de los distintos materiales y que permite identificar, por medio de instrumentos sensibles a esa luz no visible, qué elementos presenta un compuesto.

La luz no visible produce efectos en la materia muy notables, y dramáticos, a veces; efectos que son parte de nuestras investigaciones en la Comisión Chilena de Energía Nuclear. Es un gran y maravilloso tema sobre el cual escribiremos en otra oportunidad.

En el Día Internacional de la Luz celebramos el láser

Cada año, el Día Internacional de la Luz se celebra el 16 de mayo, puesto que es el aniversario de la operación exitosa del primer LÁSER (por su sigla en inglés, Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation), realizado con éxito por el físico e ingeniero estadounidense Theodore Maiman, en 1960.

El láser es un equipo óptico que produce un haz de luz de un color muy específico, de una sola frecuencia y longitud de onda. Es un haz muy ordenado, espacial y temporalmente; una propiedad que llamamos coherencia. Es, por todos estos atributos, un haz muy potente energéticamente. Así, un haz de láser puede viajar largas distancias expandiéndose muy poco y perdiendo muy poca intensidad. Actualmente, son muy comunes los punteros láser y en ellos se pueden ver las características que mencionamos.

El láser utiliza las propiedades cuánticas de la materia. Los átomos producen luz cuando los electrones pasan de un estado de energía a uno de menor energía. Así, emiten un fotón de una frecuencia o color específico, y que se relaciona con la diferencia de energía entre los dos estados. En un láser hay un medio que emite la luz, que puede ser sólido, líquido o gaseoso, y cuando el láser funciona lo que ocurre es que se le entrega energía a ese medio activo y así muchos electrones quedan en un nivel de energía más alto. Luego, unos pocos electrones pasan al nivel de energía inferior emitiendo fotones, los cuales, a su vez, recorren varias veces el medio activo, reflejándose entre espejos opuestos. Es un oscilador cuántico. El resultado son muchos electrones que pasan al nivel de energía inferior y descargan su energía emitiendo fotones de la misma energía y frecuencia que los primeros. Es de esta forma que funciona la amplificación de la emisión de luz: una cantidad sostenida de fotones de una frecuencia específica, obteniendo como resultado un haz de luz coherente y muy intenso. Es esto lo que dice el nombre LÁSER, que en español significa Luz Amplificada por Emisión Estimulada de Radiación.

Antes que el láser, se inventó el máser, que sigue los mismos principios físicos de un láser, pero en vez de luz visible lo hace con microondas, su nombre es MASER. En 1953, en Estados Unidos, Charles H. Townes, junto a dos estudiantes de postgrado, James P. Gordon y Herbert J. Zeiger, construyeron el primer máser. De manera independiente en la Unión Soviética, Nikolái Básov y Aleksandr Prójorov, mejoraron la tecnología desarrollada por Townes y sus estudiantes, y obtuvieron un máser de salida de luz continua. En 1964, C. Townes, N. Básov y A. Prójorov recibieron, conjuntamente, el Premio Nobel de Física, por “los trabajos fundamentales en el campo de la electrónica cuántica”, estudios que fueron la base para la construcción de osciladores y amplificadores basados en los fundamentos de los máser-láser.

Hoy tenemos láseres que funcionan en el rango de la luz visible, infrarrojo, ultravioleta y también de rayos X. Pueden funcionar de manera continua o pulsada. Estos últimos son capaces de concentrar energía y potencia en un punto muy pequeño, en tiempos de milésimas de millonésimas de segundo. Hoy el láser tiene aplicaciones en diferentes áreas científicas y tecnológicas. Entre las tecnologías encontramos: intervenciones quirúrgicas en las que se requiere alta precisión espacial; en corte y soldadura de metales; limpieza fina de objetos; holografía, que es la fotografía tridimensional; en el desarrollo de técnicas de medición de alta resolución espacial (décimas de micrones); en la obtención de imágenes de objetos que se mueven a grandes velocidades, superiores a 500 kilómetros por segundo; en astronomía, para determinar las propiedades de visbilidad de la atmósfera.

En el campo de la energía nuclear se usan láseres pulsados gigantescos para investigar cómo producir un plasma, comprimirlo y calentarlo hasta las condiciones en las que se produce fusión nuclear, que son los experimentos en fusión nuclear por confinamiento inercial. En la CCHEN, en el campo de la investigación en física plasmas y fusión nuclear, usamos láseres pulsados para medir la densidad y las propiedades dinámicas de plasmas producidos por experimentos a escala en miniatura, diseñados y construidos por nuestros investigadores, para investigación en fusión nuclear.

El láser es un ejemplo superlativo de lo que se puede hacer con la luz, producir un haz muy fino, con la energía concentrada, con capacidad de llegar muy lejos y de medir distancias extraordinariamente pequeñas con una precisión asombrosa.

La luz es ese fenómeno asombroso de nuestro universo que nos permite saber qué ocurre en la escala más pequeña y la escala más grande.

En el microcosmos de la materia, del tiempo y el espacio, en la enorme escala del universo entero, del macrocosmos, en esa vastedad de la naturaleza, allí está la luz. Pero, la luz también participa de nuestra más simple cotidianidad, de la posibilidad de mirarnos unos a otros, de apreciar el día y la noche, de disponer de tantos objetos que cautivan nuestra realidad mundana.

¡Viva la luz, porque es el testigo de lo más fundamental del universo!
¡Viva la luz, porque es arte!
¡Viva la luz, porque está en cada mirada!
¡Viva la luz, porque la luz es vida!

Dr. Luis Huerta, físico
Jefe de la División de Investigaciones y Aplicaciones Nucleares, CCHEN

Dr. Leopoldo Soto Norambuena, físico
Centro de Plasmas, Materia y Complejidad, CCHEN