La luz del sonido

Publicado en Lindeiros de noviembre 2015

Muchas veces la ciencia necesita grandes, enormes, gigantes aparatos para poder ver las partículas más pequeñas de la materia u observar lo más grande, como las galaxias que rodean la Tierra por todas partes. Estos experimentos aportan más conocimiento que nos permite acercarnos a comprender la Naturaleza y responder a las preguntas que se hace la humanidad desde siempre: ¿qué somos, de dónde venimos y a dónde vamos? Los costes son también enormes. Y casi siempre a la mayoría de las personas les cuesta mucho entender la necesidad de invertir esas grandes cantidades de dinero.

Sin embargo, también hay una ciencia más modesta en recursos económicos e infraestructura. Tan modesta, que incluso el experimento se puede hacer en el garaje de casa y que se empeña en desafiar nuestra inteligencia y conocimientos. Uno de estos fenómenos es la generación de luz por el sonido. Tiene un nombre que me encanta: sonoluminiscencia. Este fenómeno inicialmente fue descubierto en 1933 por los investigadores Marinesco y Trillat que reportaron el efecto de los ultrasonidos (sonidos que no son audibles por los humanos por tener una frecuencia muy alta) sobre las antiguas placas fotográficas. Un año más tarde, en 1934, los investigadores alemanes Frenzel y Schultes lo observaron en agua que estaba expuesta también a estos sonidos, al parecer mientras estaban investigando sobre el sónar que utilizan los militares para localizar objetos bajo el agua. Pero tuvieron que pasar casi 60 años para que se pudiera estudiar el fenómeno en detalle gracias al trabajo del físico colombiano Felipe Gaitan en 1989, que desarrolló la tecnología para realizar el experimento de forma sencilla en el laboratorio.

La sonoluminiscencia aparece como una luz que flota en el medio de un recipiente con agua que se expone a ultrasonidos. Es como una pequeña luz fantasmal. Se produce por el efecto combinado de los ultrasonidos sobre una burbuja de aire que se encuentre dentro del líquido. Todos podemos ver esas burbujas en el agua cuando la agitamos. Si a la vez que se producen las burbujas bombardeamos el agua con ultrasonidos, se produce la luz en el interior del líquido.

Una burbuja es como un equilibrista. El aire que está dentro de la burbuja contrarresta la fuerza que ejerce el agua que la rodea. Cuando se le aplica el sonido, en un primer momento este hace que la presión del agua sobre la burbuja decrezca, el aire empuja los bordes de esta, creciendo en tamaño. Su volumen se puede multiplicar por 1000 en esos casos. Sin embargo, cuando llega la cresta de la onda del sonido, la presión que ejerce el líquido sobre la burbuja de aire se incrementa, por lo cual tiene que reducir de nuevo su tamaño. Y lo hace de forma vertiginosa. Su temperatura interna también crece llegando a temperaturas de 10 000 ºC o superiores, es decir, temperaturas equivalentes a las de la superficie del Sol. Y en ese momento de colapso emite un intenso pero cortísimo rayo de luz. La mayor parte de la luz se emite en frecuencias que no son apreciadas por el ojo humano. Y es ahí donde nuestro conocimiento se desvanece, ya que hasta el día de hoy no se sabe muy bien el motivo de esa explosión de luz. Pero ahí está, desafiante, en medio del agua esperando por nosotros.

La sonoluminiscencia se genera artificialmente en laboratorio en condiciones controladas. Sin embargo, con el tiempo se ha visto que en la Naturaleza hay fenómenos similares. Por ejemplo, hay un animalillo marino llamado camarón pistola que aprieta sus tenazas a tal velocidad y con tanta fuerza que genera una gran burbuja. Esta al colapsar genera un gran estruendo submarino y también un pulso de luz.  Y es que observar detenidamente la Naturaleza cercana también puede generar una Gran Ciencia. ¿O no?

Para saber más:

Lamentablemente, los primeros artículos sobre sonoluminiscencia no son fáciles de encontrar y además uno está en francés y el otro en alemán. Sin embargo, sí hay interesantes artículos que explican claramente la sonoluminiscencia. Putterman y Weninger hacen una buen descripción del fenómeno en su artículo "SONOLUMINESCENCE: How Bubbles Turn Sound into Light" (Sonoluminiscencia: como las burbujas convierten el sonido en luz). También es interesante el artículo de Lawrence A. Crum. 

La sonoluminiscenia con una sola burbuja se describe en detalle en la revisión de Brener et al.

Ya que es un fenómeno todavía no comprendido del todo, existen intentos de hacerlo a través de la simulación, como en "Modeling the dynamics of single-bubble sonoluminescence" de Vignoli et al. o en "Molecular dynamics simulations of cavitation bubblecollapse and sonoluminescence" de Schanz et al.
Para un repaso rápido de las teorías para explicar los pulsos de luz, puedes ver la presentación de S. Holleman y las referencias que cita.

Y si quieres y tienes medios, puedes montarlo en casa siguiendo unas simples instrucciones.