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Einstein ilumina el Año de la Luz

La celebración auspiciada por la ONU refleja el auge de la fotónica y recuerda el centenario de la teoría de la relatividad. En España se inaugura el 16 de febrero.

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Arco iris luminoso basado en técnicas de astronomía que se proyecta todos los días sobre la estación central de Amsterdam con motivo del Año Internacional de la Luz. / STUDIO ROOSEGAARDE

La luz ha sido siempre objeto de fascinación y estudio. Que la velocidad de la luz en el vacío es constante y no se puede superar fue un descubrimiento de Einstein que marcó nuestra era para siempre y provocó una explosión de investigaciones dentro y fuera de la Tierra. El último ejemplo puede ser el experimento, publicado en la revista Science, que indica que la velocidad (de grupo) de los fotones en el vacío es inferior a la de la luz si se cambia la estructura del rayo en el que viajan.

En el último medio siglo la luz se ha convertido en un área científica y tecnológica con múltiples aplicaciones y es eso lo que reconoce la Unesco al declarar 2015 como el Año Internacional de la Luz, al tiempo que se celebra el centenario de la Teoría de la Relatividad General de Einstein, entre otros aniversarios. Tras inaugurarse oficialmente en París el pasado 19 de enero, se ha iniciado una larga serie de actividades en todo el mundo que pretende subrayar el papel vital de la luz en la vida cotidiana y como ciencia interdisciplinaria, llamada fotónica, en el siglo actual. En España, la ceremonia de apertura tendrá lugar en Barcelona el próximo 16 de febrero.

La luz (en sentido amplio no limitado a la luz visible) ha revolucionado la medicina y ha estimulado la comunicación internacional vía Internet. Las tecnologías basadas en la luz han promovido el desarrollo sostenible (recordemos la energía fotovoltaica) y se aplican en campos distintos como la educación, la agricultura y la salud.

Para llegar a comprender la luz y al consiguiente desarrollo de las tecnologías ópticas que están cambiando el mundo el camino de investigación recorrido desde los años 50 está jalonado de hitos, algunos de los cuales ha recordado la Sociedad Americana de Física. Comienzan, como no, con el nacimiento del láser, esa tecnología sin objetivo claro en su origen y ahora omnipresente, ya sea para leer información o para realizar operaciones quirúrgicas. El invento partió de una forma de radiación, la de microondas. Charles Townes y sus colegas de la Universidad Columbia en Nueva York demostraron, a mediados de la década de los 50 un método, el maser, basado en un descubrimiento de Einstein, para conseguir unas emisiones que tenían un rango muy reducido de frecuencias.

Ese fue el antepasado del láser (los rayos de luz coherente), cuyo desarrollo no fue fácil y necesitó la contribución de muchas áreas de la ciencia para llegar a aplicaciones prácticas. En 1962 se inventó el diodo láser, que llevó esta tecnología, con su lucecita roja característica, a productos de uso cotidiano.

La tecnología láser, con su capacidad de detectar fotones (las partículas de luz) individuales, tiró de la teoría cuántica, la revolución en física de principios de siglo igualmente relacionada con Einstein. Roy Glauber llegó, en 1963, a la conclusión de que los fotones no son entes totalmente independientes y que detectar un fotón en un rayo de luz afecta a la probabilidad de detectar cualquier otro fotón del mismo rayo. Así nació la óptica cuántica que se ha traducido, entre otras cosas, en un método avanzado de criptografía.

Por muy potente que sea un láser, la velocidad de la luz es su límite de propagación

Por muy potente que sea un láser, la velocidad de la luz es su límite de propagación. Sin embargo, la luz que cae, sometida a la fuerza de la gravedad, gana energía. Como no se puede acelerar, lo que pasa es que cambia (aumenta) infinitesimalmente su frecuencia. Es lo que confirmaron dos científicos en un experimento realizado en una torre de la universidad de Harvard en 1960. Con ello verificaron con bastante precisión la hipótesis de Einstein sobre cómo afecta la gravedad a la luz y contribuyeron que funcione el sistema GPS, cuyos satélites portan unos relojes que se corrigen periódicamente para tener en cuenta este efecto.

Pasemos a la década de los 70. Entonces los físicos aprendieron a utilizar los láseres para atrapar y manejar los átomos de forma que pudieran estudiarlos en detalle. Se desarrollaron técnicas para enfriar (o enlentecer) los átomos, lo que sucede cuando se bombardean con láseres de frecuencias que absorben. Estas técnicas llevaron a una mejora espectacular de los relojes atómicos y a la creación de un nuevo estado de la materia a temperaturas ultrabajas, el condensado de Bose-Einstein.

¿Y el mundo cuántico? Al poder medir con gran precisión las ondas de luz emitidas por los átomos se avanzó mucho en la comprensión del micromundo y de la naturaleza de los átomos, pero las técnicas, complejas y muy caras, estaban solo al alcance de un puñado de laboratorios. En 2000 se presentó el peine óptico, una técnica mucho más simple que permite medir con gran precisión las frecuencias.

Sin embargo, estos avances en la física relacionados con la luz serían solo un capítulo de un largo libro. La capacidad de observar y medir la radiación llevó también, por ejemplo, a los grandes avances en astronomía y cosmología. La hipótesis vigente sobre la formación del Universo, a partir de una Gran Explosión inicial, y su posterior evolución se confirman continuamente con las observaciones del viaje de la luz desde el pasado hasta nuestros detectores. También se confirman así las teorías de Einstein sobre la estructura del espacio-tiempo. “Como astrónomo, utilizo la luz para viajar por el Universo y mirar hacia al pasado cuando el Universo era joven. ¡También usted! Todos vemos las cosas como eran cuando fue emitida la luz, no como son ahora”, recuerda John Mather, director científico del telescopio espacial James Webb, en construcción todavía.

La elección de 2015 como Año Internacional de la luz se debe a que este año se cumple una serie de aniversarios importantes, que se remontan al trabajo del científico árabe Alhazen alrededor de 1015. En 1815 Fresnel propuso que la luz es una onda, en 1865 Maxwell presentó su teoría electromagnética de la luz, en 1915 fue el turno de Einstein y su teoría de la relatividad general y en 1965 se detectó la radiación de fondo de microondas (el eco de la Gran Explosión) y se consiguió la transmisión de luz por fibra óptica.

Más información:

Año Internacional de la Luz (IYL 2015)
Blog IYL 2015
Año Internacional de la Luz en España