Cuando hace cinco años el profesor Dudley se propuso organizar un Año Internacional de la Luz no podía imaginar el nivel de respuesta de los científicos e instituciones de todo el mundo. Coincidiendo con el aniversario de varios descubrimientos esenciales para la historia de la física, la iniciativa pretendía divulgar algunos conceptos de óptica y las aplicaciones tecnológicas a las que han dado lugar los descubrimientos sobre la luz. Con motivo de la clausura del año internacional, Dudley visitó este martes Madrid para ofrecer una conferencia titulada “1000 years of optics, 50 years of solitons” en la sede central del CSIC. Charlamos con él en el Instituto de Óptica.
Vamos al lío. ¿Qué es la luz?
Bueno, todo el mundo sabe lo que es la luz, pero otra cosa es describirlo. Es interesante conocer que nuestra idea de la luz ha cambiado muchísimo en los últimos 2000 años. La primera luz del Universo que hemos detectado tiene 13.500 millones de años, pero solo desde hace muy poco entendemos qué es. En la antigüedad se pensaba que la luz procedía del interior de nuestras cabezas y costó entender que venía de fuera. Entonces Newton vio que la luz se podía separar en colores y hace cien años Einstein dijo que no era tan simple, que se trataba de energía que venía en paquetes, no solo en forma de ondas sino como partículas.
Estos fotones son las partículas que mantienen unida la materia. Siguiendo este argumento hay algún físico que dice que somos seres de luz.
Bueno. En todo caso somos seres de luz potencial, porque necesitas excitar un átomo para que se emitan esos fotones. Estoy seguro de que si me enchufas a una fuente de 100.000 voltios me pongo a brillar (risas). La teoría clásica de electromagnetismo decía que si tienes un electrón que acelera obtienes luz. El problema era que si tenías un electrón acelerando en un círculo debería emitir radiación electromagnética y perder energía todo el tiempo, de modo que sería inestable, no habría nada. La solución a ese problema vino pensando en estados de energía, que los electrones ocupan espacios de forma que no irradian energía de forma constante y eso trae un átomo estable.
Se podría interpretar que los científicos terminaron descubriendo de qué está hecha la materia mientras intentaban entender qué es la luz.
Esa idea es más correcta de lo que piensas. A finales del siglo XIX, se planteaban si era mejor la luz que provenía de las lámparas de gas o de las lámparas eléctricas. Los científicos en Alemania empezaron a estudiar el espectro de la luz y descubrieron algo muy interesante. Si tienes un objeto caliente, a medida que aumenta la temperatura va de rojo a naranja y luego a blanco. El espectro de esa luz tienen una estructura muy particular y los científicos no podían explicarlo. Se llamó la “catástrofe ultravioleta”. No podía explicarse hasta que Max Planck se dio cuenta de que podía hacerlo encajar, pero debía aceptar que la energía venía en paquetes. Y a partir de ahí Einstein definiría lo que es la luz.
Estos días se celebra sobre todo el centenario de la Relatividad y el descubrimiento del efecto fotoeléctrico pasa desapercibido. Quizá merezca más publicidad, ¿no?
La Relatividad Especial, que es la forma en que la percepción cambia cuando los objetos se mueven cerca de la velocidad de la luz, no afecta mucho a nuestras vidas cotidianas. Hay pequeñas correcciones que se aplican en aceleradores de partículas que producen investigaciones para farmacología y cosas así. El sistema de GPS se basa en la Relatividad General y corrige la posición de los satélites, pero seguramente podríamos vivir sin ellos. Se puede navegar sin GPS, solo en los últimos 20 años se ha usado. Pero el efecto fotoeléctrico, cuando piensas en las tecnologías que usamos hoy día, desde la telefonía, la televisión, las células solares en nuestros tejados, sistemas de proyección digital... Todo eso está basado en el efecto fotoelétrico, un material semiconductor, al que aplicas una corriente, haces variar los niveles de energía de los electrones y emiten ondas. Cada vez que te haces un selfie lo que estás haciendo es un proceso en el que la luz de tu cara se refleja, es captada por un detector, absorbe la luz y los convierte en electrones que viajan por internet y llega a Twitter. El efecto fotoelétrico es un descubrimiento de Einstein que vemos todos los días a nuestro alrededor y no lo sabemos.
“Todos los descubrimientos de Einstein están íntimamente relacionados con la luz”
Y una vez más se entendió cómo estaba hecho el universo pensando en la luz...
Todos los descubrimientos de Einstein están íntimamente relacionados con la luz, porque estaba buscando una teoría unificada de la física y el electromagnetismo tenía que ser parte de eso. La Relatividad Especial la descubrió definitivamente pensando en la luz y qué pasaría si uno viaja en un tren y llevara encima una luz con la que emitir hacia adelante. Con las matemáticas trataba de asegurarse de que las ecuaciones de Maxwell seguían siendo las mismas independientemente del marco de referencia en el que te movieras. El siguiente paso fue probar qué pasaba con un objeto en aceleración y las consecuencias le llevaron a lo que llamamos ahora principio de equivalencia, que no puedes distinguir entre un objeto que cae y uno que acelera. Y hace 100 años esto fue una revolución, llegó a la Relatividad General. La consagración fue precisamente un experimento de Arthur Eddington usando la luz y la forma en que el campo gravitacional del Sol la desviaba.
Como aficionado a la historia de la ciencia dice usted que muchos descubrimientos son redescubrimientos. Thomas Harriot, por ejemplo, se adelantó la ley de la refracción mucho antes que Snell.
Es curioso, porque descubrir la ley de refracción es extremadamente simple, todo lo que necesitas es un semicírculo de cristal o agua, o incluso un vaso de agua y puedes ver lo que sucede. Parte del problema era que solo a partir de Newton- tras Galileo- se empezaron a aplicar las matemáticas para interpretar la realidad. Y Harriot no quería compartir sus descubrimientos porque el extremismo religioso de la época lo hacía peligroso.
Pero Newton pensó que la luz viajaba más deprisa en el agua...
Sí, porque le funcionaba. El modelo de Newton funciona correctamente si acepta que la luz está compuesta por corpúsculos.
Hay algún físico que dice que la discusión se ha acabado, son partículas, ¿no?
Bueno, cuando un físico dice eso, debería hacérselo mirar (risas). Como decía Richard Feynman, imagina que tienes partículas, muy bien, pero ahora no sabemos qué camino toman. Puedes aceptar mirarlo como una mezcla de partículas y ondas o verlo como una partícula que puede ir a cualquier sitio, pero se cancela y siempre va en una dirección.
Su investigación se centra precisamente en una forma de onda que se comporta de forma similar en el agua y en la luz, los solitones. ¿Me lo cuenta fácil?
La manera más simple de describirlo es con agua. Si lanzas una roca en una piscina tienes olas que se propagan pero van perdiendo energía. En 1834, por un experimento casual, John Scott Russell descubrió que existía un cierto de ondas que no se comportaban igual. Al empujar el agua de un canal se formaba una ola que parecía no perder energía, una onda solitaria, un solitón,
¿Qué tipo de uso se le puede dar?
Durante muchos años la gente pensó que los solitones podrían ser el bit básico para un sistema de comunicación, apagar y encender solitones podría ser mejor que otros sistemas basados en la luz. Las ondas de radio siempre se propagan, pero cada varios kilómetros hay que poner repetidores porque se atenúan. Los solitones, en cambio, consiguen que la señal viaje estable durante cientos de kilómetros. Pero de momento es más barato poner repetidores.
Pero sí se usan en algunas aplicaciones.
Bueno, los láseres que se utilizan para cortar superficies o para operar los ojos son láser de solitón, ultrarrápidos. Casi todos lo que se usan en laboratorio son de este tipo. Estamos estudiando la relación entre la forma en que un solitón puede crecer espontáneamente de la luz y cómo sucede en la superficie del océano en forma de olas gigantes solitarias. En el laboratorio podemos hacer aparecer una ola gigante, pero estudiarlo en el océano es un poco más difícil porque necesitas analizar todo el sistema y hay miles de olas. Precisamente ahora trabajo con un instituto de oceanografía y vamos a medir 800.000 olas en mar abierto.
¿El objetivo es evitar los accidentes que provocan estas olas?
Para mí el objetivo es comprender el fenómeno. Eso hacemos los científicos. Luego hay quien le busca otras aplicaciones, también hay quien ha pensado en usarlo como arma para hundir barcos (risas).
Para saber más: Especial Año de la Luz en Next
