Entendiendo la luz: de la quintaesencia a la física cuántica

Trazar los orígenes de la observación científica puede resultar una tarea casi imposible de concebir. ¿En qué momento los humanos comenzamos a cuestionarnos nuestro entorno y a formular hipótesis o teorías sobre los fenómenos que observamos? ¿Esa curiosidad por lo físico siempre ha estado presente en nuestra especie? ¿Cuán antigua es? ¿Es un rasgo que heredamos de un ancestro común con otras especies animales o bien surgió durante la evolución del linaje humano? ¿Era necesario un desarrollo exponencial de las capacidades cognitivas de los homínidos para que los humanos pariéramos la ciencia? ¿Hasta qué punto las respuestas que damos nosotros u otras especies a los eventos observados se pueden considerar producto de una evaluación científica?

Bien, estas cuestiones, aunque interesantes, no son el objeto de este artículo, pero me sirven para introducir un tema que a muchos nos puede resultar enigmático, peliagudo o difícil de digerir: os hablo de la física cuántica. Sin embargo, si viajamos atrás en el tiempo y trazamos su historia desde su nacimiento, en realidad nos daremos cuenta de la sencillez de la secuencia lógica de pensamiento con la que surgen teorías que, a priori, nos resultan complejas.

Os invito a subir a mi DeLorean para descubrir, en cuatro breves saltos temporales, cómo los fenómenos físicos llevaron a los humanos a trazar esta teoría moderna que pretende explicar el funcionamiento de la materia en el universo.

Delorean
Modelo de la Máquina del Tiempo DeLorean de la película Regreso al Futuro.

La aparición de los elementos y la quintaesencia

Nuestra primera parada tiene lugar en la Antigua Grecia, cuna de los más grandes y famosos filósofos de la historia. Pensadores como Aristóteles o Empédocles se basaron en la observación científica para desarrollar sus teorías. Justamente estos dos señores fueron los primeros en proponer que la materia estaba formada por elementos.

Un leño que arde emite humo (aire), llamas (fuego), savia líquida (agua) y queda reducido a cenizas (tierra). Esta observación, entre otras, es la que llevó a Empédocles a describir que la materia estaba compuesta por cuatro elementos fundamentales.

Aristóteles amplió esta propuesta añadiendo un quinto elemento (el éter o quintaesencia), pues creía que todo lo que estaba por encima de la luna era perfecto y, por tanto, debía estar compuesto por elementos menos terrenales.

Hoy en día, sabemos que estas teorías no son ciertas pero, aunque parezca increíble, la idea de que existía una quintaesencia en el universo no se refutó hasta principios del siglo XX, cuando se aceptó la teoría de la relatividad especial de Einstein. De hecho, hasta entonces, se creía que el éter era una sustancia que ocupaba todo el espacio y que permitía el desplazamiento de la luz del Sol, lo que encajaba con los descubrimientos que se habían hecho sobre el comportamiento de la luz como onda electromagnética, la cual no podía desplazarse a través del vacío y necesitaba un medio para hacerlo. Pero vayamos por partes.

Para las civilizaciones antiguas era fácil describir los objetos o cuerpos tangibles. Pero, ¿y la luz? ¿De qué estaba compuesta? ¿Cuál era su naturaleza? Los griegos, basándose en la teoría de los cuatro elementos de Empédocles, creían que la luz era una especie de llama que surgía del ojo, que salía a raudales cuando se abrían los párpados y llegaba hasta los objetos que observamos. Obviamente, se le atribuía al Sol algún papel en este fenómeno pues, de lo contrario, era imposible explicar por qué no se podía ver en la oscuridad.

En el siglo XI, gracias a la influencia de los filósofos árabes y sus conocimientos avanzados sobre las propiedades de las lentes y de los espejos, esta teoría del “fuego del ojo” quedó refutada. No obstante, la aceptación total de estas nuevas ideas y la resolución al debate sobre la naturaleza de la luz aún tardarían varios siglos en llegar. Y así es como arribamos a nuestra segunda parada: finales del siglo XVII.

Cuatro pinturas realizadas durante el Renacimiento por Giuseppe Arcimboldo que representan los cuatro elementos.

Huygens Vs Newton

Durante esta visita al siglo XVII vamos a presenciar cómo los científicos se posicionaban a favor o en contra de dos teorías opuestas que pretendían resolver cómo la luz era capaz de viajar desde su fuente de origen, a través del espacio, hasta el ojo humano. Una cuestión formulada desde un punto de vista antropocentrista, podéis pensar (¡como si los humanos fuéramos el único destino de la luz!), pero es que la ciencia, al fin y al cabo, no es la búsqueda de la verdad, sino el desarrollo de ideas y métodos que nos permitan entender los fenómenos de la vida tal y como nosotros los percibimos (y dejadme decir que nuestra percepción de la realidad está limitada a nuestros sentidos y capacidades, por lo que es siempre es relativa al observador).

En cualquier caso, y volviendo al tema que nos toca, a la izquierda tenemos a Isaac Newton que defiende que la luz está compuesta de partículas minúsculas (que él denomina “corpúsculos”). A la derecha, Christian Huygens golpea con su teoría de que la luz está compuesta de ondas. ¿Quién ganará el combate?

En realidad, el tiempo y los descubrimientos posteriores terminarían, de alguna manera, dándole la razón a ambos, aunque en su momento, la gran reputación de Newton lo alzó como vencedor. Sin embargo, durante las intensas discusiones que tuvieron lugar a finales del siglo XVII, los dos lo tuvieron difícil para contraatacar, con cálculos y razonamientos, los argumentos del otro.

Por un lado, las ideas de Newton no terminaban de encajar con algunos fenómenos observados: si la luz está formada de corpúsculos, ¿cómo es posible que los rayos de luz se desvíen al cambiar de medio? ¿Por qué una parte de la luz se refleja sobre el vidrio y la otra parte lo atraviesa? No obstante, la teoría de Newton permitía entender cómo la luz viajaba desde el Sol a través del espacio, cosa que el propio Huygens y los defensores de la luz como onda, todavía debían de explicar. Ambos formularon respuestas a los vacíos respectivos de sus teorías, aunque el debate aún continuaría por más de un siglo.

 

Huygens_vs_newton.jpeg
Dramatización cómica de la batalla intelectual entre Isaac Newton y Christian Huygens sobre la naturaleza de la luz.

La luz como onda

En nuestro siguiente salto visitaremos a Thomas Young, un médico inglés adinerado que logró traducir correctamente algunos jeroglíficos escritos en egipcio demótico de la Piedra Rosetta. Aunque lo que realmente nos interesa aquí es contemplar cómo Young, en 1801, ponía fin al debate entre las teorías ondulatoria y corpuscular de la luz gracias a su experimento de la doble rendija. Seguro que os suena.

Vamos a ver cómo lo hizo: Young hizo pasar un haz de luz fuerte a través de una tarjeta con dos rendijas, dividiendo el haz de luz en dos haces que se proyectaban sobre una hoja de papel o una pared, situada horizontalmente a la tarjeta, en una habitación oscura. Entonces, ya se sabía que las ondas podían interferir entre ellas.

Por ejemplo, cuando lanzamos una piedra a un estanque observamos que se generan unas ondas circulares que se propagan en la superficie del agua. Si lanzamos dos piedras, habrá puntos en que las ondas producidas por cada una de las perturbaciones asciendan al mismo tiempo, y este solapamiento generará una onda de mayor amplitud. En aquellos puntos en que una onda ascienda y la otra descienda, el solapamiento generará la anulación de la onda.

Young, observando los efectos de la temperatura en la formación del rocío, se dio cuenta de que al acercar una vela a las diminutas gotas de agua se proyectaban sobre una pantalla unos anillos de colores que rodeaban un centro blanco. Este fenómeno le llevó a pensar que la interacción de las ondas de luz era lo que producía esos anillos concéntricos e ideó el mencionado experimento para comprobar si la interacción ondulatoria también se producía con la luz.

Y así fue. Al dividir en dos un haz de luz a través de la doble rendija, en la pantalla del fondo se producía un patrón de franjas claras y oscuras, como un código de barras. Aquellos puntos en que las ondas de luz de ambos haces interfieren de forma positiva (se suman) generan una franja clara de luz. En aquellos puntos en que las ondas de ambos haces se anulan, se generan franjas oscuras.

Esquema moderno (con un haz de electrones) del experimento de la doble rendija de Thomas Young.

Parecía que Thomas Young había resuelto el enigma sobre la naturaleza de la luz, pero no nos flipemos, porque todavía no estaba todo el pescado vendido. Aún faltaba entender cómo la luz, proveniente del Sol, podía surcar el espacio vacío.

En aquella época ya se sabía que las ondas (como las del sonido) no podían propagarse en el vacío y necesitaban algún medio que vibrara para poder viajar desde su fuente de origen a un punto determinado del espacio. ¿Qué elemento conocido podría transportar la luz hasta la Tierra? La sombra de Aristóteles volvía a asomar y el éter, un elemento invisible, intangible y, según el famoso filósofo, perfecto, resolvía el problema. Desde luego, el éter era perfecto ya que su concepción era la solución comodín en la que encajaban todos aquellos vacíos que la ciencia todavía no había logrado explicar. Pero, por muy parsimonioso que fuera el sistema, ¿el éter realmente existía?

Olvidando el éter

Nos quedamos en el siglo XIX, ya que dos años después de la muerte de Thomas Young, nacería James Clerk Maxwell, quien, sin quererlo, tiraría la primera piedra que derrocaría al éter para siempre.

En esa época ya se conocían la electricidad y el magnetismo, y el mismo Faraday, entre otros, ya había demostrado que un fenómeno podía dar lugar al otro, y viceversa. Sin embargo, fue Maxwell quien desarrolló la teoría que unificaría ambas fuerzas para siempre bajo el nombre de “electromagnetismo”. Sus ecuaciones demostraban que la electricidad, el magnetismo y la luz eran manifestaciones distintas del mismo fenómeno.

En otras palabras, la luz era una onda electromagnética que viajaba a una frecuencia (y con una longitud de onda) que era perceptible para el ojo. Dentro del espectro electromagnético, las ondas que se desplazaban a frecuencias inferiores o superiores a las de la luz visible tienen otras propiedades. Por ejemplo, la luz ultravioleta y los rayos X y gamma viajan a frecuencias superiores a las de la luz y, por tanto, no son perceptibles para el ojo humano. De la misma forma que no podemos ver las ondas de radio, los infrarrojos o las microondas, cuya frecuencia es inferior a la de la luz.

Pero Maxwell había basado su teoría en un modelo mecánico del éter, de manera que este elemento todavía parecía ser necesario para explicar la naturaleza de la luz.

Unos años más tarde, Albert Michelson y Edward Morley se propusieron demostrar la existencia de este quinto elemento. En aquella época, se creía que el movimiento de la Tierra arrastraba al éter con ella, lo que explicaba la ausencia de variación en la disposición y configuración de los astros que se observaba en la bóveda celeste.

Basándose en esta idea, Michelson y Morley idearon un afanoso experimento en el que la corriente generada por el desplazamiento del éter a razón del movimiento de la Tierra desplazaría las trayectorias de dos haces de luz dispuestos, inicialmente, uno perpendicular al otro. Sin embargo, esto no ocurrió y sus resultados se postularon como la primera evidencia empírica de la inexistencia del éter (y la base experimental que llevaría a Albert Einstein a desarrollar su teoría de la relatividad especial).

James Clerk Maxwell (1831 – 1879)

Antes de dar nuestro último salto temporal al siglo XX quiero haceros testigos de una realidad que, por atajar el texto, he obviado en nuestra primera parada, pero que, ahora, cobra relevancia en esta historia.

Aunque en la Antigua Grecia las teorías de los elementos como constituyentes básicos de la materia triunfaban entre los pensadores de la época, había un pequeño grupo de filósofos que defendían una idea distinta, mucho más similar a la concepción moderna de la composición de las cosas. Esta teoría describía que si se cortaba cualquier objeto sucesivamente, cada vez en fragmentos más pequeños, llegaríamos a una fracción mínima que ya no se podría cortar más. A ese fragmento indivisible lo llamaron “lo no cortable”, o en griego, “átomo”.

Los atomistas vieron frustrados todos los intentos para que su teoría fuera aceptada por sus contemporáneos, pero en el año 1800, John Dalton retomó esta idea y la combinó con la teoría de los cuatro elementos de Empédocles. A partir de este momento, se comenzó a estudiar la materia con un enfoque distinto y en poco más de un siglo se descubrieron los electrones, los neutrones y los protones, constituyentes más pequeños del átomo.

Con el fin del éter y el descubrimiento de los átomos y otras partículas más diminutas que conformaban la materia, la física o el modo en que la ciencia clásica entendía y explicaba los fenómenos naturales, cambiaría radicalmente.

Fotgrama de la película “El quinto elemento”.

La “catástrofe del ultravioleta” y el inicio de la física cuántica

Y llegamos a nuestro destino final. Uno de los problemas a los que se enfrentaba la física clásica a finales del siglo XIX era la denominada “catástrofe del ultravioleta”. Cuando calentamos, por ejemplo, una barra de hierro, observamos cómo el metal, a partir de cierta temperatura, comienza a brillar.

Cuando incrementamos la temperatura de un cuerpo, este emite radiación electromagnética: primero en el infrarrojo (no visible para el ojo humano), después luz roja y, si seguimos aumentando la temperatura, luz blanca y azulada. Dicho de otra manera, a mayor temperatura, los objetos emiten radiación de mayor frecuencia (o menor longitud de onda, lo que le proporciona a la luz su color).

Mediante la física clásica se intentó describir una fórmula que permitiera estimar los resultados observados. Sin embargo, todos los intentos fracasaron estrepitosamente. Las fórmulas matemáticas permitían calcular los valores experimentales a frecuencias bajas, pero al acercarse a la frecuencia del ultravioleta, los modelos predecían resultados absurdos, radiaciones de energía infinitas, que no se ajustaban en nada a los valores obtenidos en los experimentos a altas frecuencias.

Y aquí es donde entra en escena el archiconocido físico Max Planck, quien resolvió este problema en el año 1900, a los 42 años de edad. Las teorías clásicas se basaban en la idea de que a luz era una onda corriente, que podía producirse con cualquier cantidad de energía. Max Planck advirtió que si suponía que la luz venía formulada en pequeños paquetes de energía, se evitaba la catástrofe del ultravioleta, y las predicciones teóricas coincidían con los datos experimentales. A estos bloques diminutos de luz los denominó “cuantos” y descubrió que existía una constante en la naturaleza que definía la energía contenida en estos paquetes en función de la longitud de onda con la que se emitían: la constante de Planck o “h”.

Esta teoría permitió relacionar el color de la luz (definido por su frecuencia o su longitud de onda) y la energía que porta, y supuso el comienzo de la física cuántica, que llevó consigo un cambio total de mentalidad a la hora de comprender los fenómenos naturales a escala atómica. La luz, al igual que muchos otros aspectos de la naturaleza, ya no podía concebirse como un fenómeno con características que podía tomar cualquier valor posible, sino que se componía de “cuantos” o bloques de unidades que tomaban valores discretos.

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La imagen muestra la radiación electromagnética a diferentes frecuencias emitidas por un metal candente.

Aun así, por muy paradójico que parezca, Planck no creía realmente en los “cuantos”, simplemente le servían en la realización de su cálculos, por lo que para él eran una mera asunción formal que encajaba con las observaciones experimentales y su teoría, pero no pensaba en ellos como un aspecto real de la física.

Sin embargo, en 1905, un joven empleado de la Oficina de Patentes de Berna, en Suiza, recogió esta idea para explicar un fenómeno al cual los científicos llevaban dándole vueltas, por lo menos, un cuarto de siglo. Este joven era Albert Einstein, y propuso que los cuantos de luz (que posteriormente conoceríamos como fotones) eran los responsables del efecto fotoeléctrico: si el fotón tenía la energía suficiente (como hemos visto antes, a más frecuencia o menos longitud de onda, más energía tiene asociada la luz), este podía arrancar un electrón de una placa de metal produciendo electricidad.

La contribución de Einstein a la Física Teórica y, en especial, su ley del efecto fotoeléctrico que se publicó ese mismo año junto con tres artículos más muy relevantes (entre ellos, el desarrollo de la relatividad especial), le valieron el premio Nobel de Física en el año 1921.

Einstein había iniciado la revolución de la física cuántica, puesta en marcha tras las ideas de Planck sobre la naturaleza de la luz, y que fue continuada por un séquito excepcional de jóvenes físicos brillantes. Y aunque después de esto llegarían hitos de extrema importancia para el mundo de la ciencia que modificarían aún más nuestro entendimiento sobre el funcionamiento de la materia y de las leyes que rigen nuestro universo, eso ya es otra historia…

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Icónica imagen de Albert Einstein. Quizás en otro momento os cuente más sobre él. Quizás no. Al fin y al cabo, “la imaginación es más importante que el conocimiento”.

El autor

Hola a tod@s. Me llamo Iván García Nisa y soy biólogo de profesión, friki de la ciencia y viajero cuando puedo. En 2013 obtuve un máster en Conservación de la Biodiversidad y, al año siguiente, me especialicé en investigación con primates. Desde 2015 estoy realizando mi doctorado en comunicación y aprendizaje social en primates en la Universidad de Durham y desde 2014 soy miembro de la Junta Directiva y Vocal del comité de Educación, Divulgación y Comunicación de la Asociación Primatológica Española.

 

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Este soy yo

 

Me encanta escribir, aunque no me considero un ávido lector. Eso sí, soy un enamorado de las palabras. Casi tanto como de la música. Y aunque mi trabajo y mi formación siempre se han movido dentro del ámbito de la biología, me aluciflipa la física.

Espero que hayáis disfrutado del artículo tanto o más como yo he disfrutado escribiéndolo.

¡Mucho grooming!

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