Consejos para ser más joven

Publicado en Lindeiros de septiembre 2015

La prensa, los anuncios, los amigos, las redes sociales nos dan consejos sobre como mantenernos más jóvenes. Haz más ejercicio. Come más sano. Y si es necesario, utiliza esas cremas milagrosas que eliminan las arrugas. Sin embargo, estos consejos o ungüentos solo nos harán parecer más jóvenes. No nos harán ser más jóvenes. 

Sin embargo, a principios del siglo XX, un mago llamado Albert, descubrió que cada uno de nosotros tenemos un reloj propio, único e intransferible, que cuenta el tiempo de nuestra vida y sobre el cual podemos actuar para que marque una hora diferente a la de nuestros hermanos. Incluso, aunque tuviéramos un hermano gemelo que naciera exactamente en el mismo momento, podríamos conseguir ser más joven que él. De sus descubrimientos, podemos obtener dos consejos para conseguirlo.

Primer consejo. Viaja todo el tiempo a la mayor velocidad que puedas (cuidado, siempre cumpliendo las normas y de forma segura, no vaya a ser que ocurra una fatalidad) y siempre hacia el Este. Si nuestro gemelo está quieto, y nosotros vamos en coche a 120 kilómetros por hora, por cada hora seremos aproximadamente 0.6 nanosegundos más jóvenes. No es mucho, ya que un nanosegundo es la milmillonésima parte de un segundo. Pero si fuéramos un piloto comercial, viajando a 850 kilómetros por hora la diferencia ya es de más de 1.5 nanosegundos por cada hora de viaje. Cuanta mayor sea nuestra velocidad, mayor será la diferencia de tiempo entre nosotros y nuestro gemelo. Ahora bien, si vas hacia el Oeste, viaja lo más despacio posible, o te harás más viejo que tu gemelo.

Por Marus Frieiro

Segundo consejo. Busca para vivir un lugar lo más cerca del nivel del mar (o por debajo). Tu reloj particular se ve también afectado por la gravedad (la fuerza con la que nos atrae otro objeto con masa). En este caso, cuanta mayor sea la gravedad, más lento irá nuestro reloj particular. En un planeta como es nuestra Tierra, la gravedad es menor según ascendemos, y el tiempo corre más rápido. Por tanto, el mejor sitio para ser más joven de la Comarca de Santiago es Padrón, cerca del río Ulla, mientras que el menos favorable es As Pedras, en Rois, que está a una altitud de 609 metros sobre el nivel del mar. Viviendo en Padrón seríamos casi 6 nanosegundos más jóvenes por día frente a nuestro gemelo roisense.

En fin, que podemos ser (y no solo parecer) ligeramente más jóvenes si aplicamos las recetas de nuestro mago Albert. Claro que este “mago” era uno de los grandes genios de la Física: Albert Einstein. Y estos “consejos” son consecuencia de su Teoría de la Relatividad. Durante algún tiempo se dudó de que esos cambios en la medición del tiempo fuesen reales, pero se ha comprobado experimentalmente que esto ocurre realmente haciendo mediciones muy precisas con relojes atómicos. De hecho, en algunos casos es necesario tenerlos en cuenta, como en los satélites que nos proporcionan la señal GPS que nos indica la posición en donde estamos. Cada uno de ellos lleva un reloj atómico. Al dar vueltas alrededor de la Tierra a unos 20200 kilómetros de distancia, su reloj se adelanta cerca de 39000 nanosegundos por día. 

Todos estas diferencias de tiempo son muy, muy pequeñas para nuestra vida cotidiana. Así que no te preocupes por ser más joven. Simplemente aprovecha hasta el último nanosegundo de tu vida, que es muy corta.

NOTA. Los datos de altura de la comarca de Santiago, los ha proporcionado el departamento de GIS del CESGA. Gracias.

En rojo, el punto más bajo de la Comarca de Santiago de Compostela. En azul, el más alto. Datos proporcionados por el departamento de GIS del CESGA.

Para saber más:

El informe del experimento de Hafele-Keating es lo que he usado como referencia para los cálculos. Es un caso particular de la famosa paradoja de los gemelos. Aunque parezca mentira, todavía da juego y hay abundantes publicaciones científicas al respecto. Las medidas se siguen haciendo cada vez más precisas, llegando a diferencias en altura de 33cm con los nuevos relojes.

También es muy interesante esta nota técnica de la NASA sobre las correcciones de los vuelos a la Luna Apolo XII y Apolo XIII.

Un artículo fácil de leer es el del Dr. Sfarti. Lástima que no esté en acceso abierto. Y si sigues interesado, quizá te sea útil ver que es posible hacer los cálculos desde los dos puntos de vista, el que viaja y el que se queda en Tierra. De nuevo, no se encuentra en acceso abierto.

Todas las publicaciones de Albert Einstein están disponibles en abierto con traducción al inglés. Son siempre interesantes.
Para un resumen de los efectos relativistas en GPS, visita esta página.

Doppler

Publicado en Lindeiros de agosto 2015

Ya es Agosto. El primer sábado del mes y aquí estoy. Tumbado buscando entre la cantidad de cosas que me gustaría contar que han ocurrido este año en Ciencia que son interesantes. Pero ninguna me convence. Quiero contar algo que sea sencillo y que se pueda experimentar en casa en una tarde de verano.  Y Manolo, el editor del periódico, esperando por mi columna. Ahora entiendo a los escritores y esa fobia que tienen al papel en blanco. De repente pasa un coche. Se oye perfectamente como se acerca. Cada vez más alto y más claro el sonido que produce. Pasa al lado de mi ventana y se aleja, cambiando ligeramente el sonido del motor y del rozamiento de las ruedas contra el asfalto. ¡Eureka! ¡Ya está! ¡Por fin he encontrado el tema que buscaba! ¿Saben a qué me refiero?

Sí, justo, voy a contar algo sobre el efecto Doppler. Como lo experimentamos todos los días, no somos muy conscientes del mismo. Los aficionados a la Fórmula 1 seguro que sí lo aprecian más. Ese sonido característico de los bólidos cuando se acercan, un poco agudo, que se  vuelve más ronco una vez que han pasado y se alejan. Lo que ocurre es que un vehículo como los coches de Fórmula 1 emite un sonido característico generado por las vibraciones de la carrocería, del motor, etc. Estas vibraciones mueven el aire circundante, generando ondas sonoras de las cuales ya hemos hablado antes en esta columna. 

Cuando el vehículo viene hacia nosotros (a una velocidad constante), las ondas generadas en un instante de tiempo determinado y las inmediatamente posteriores, tienen esencialmente la misma frecuencia. Se dirigen hacia nosotros a una velocidad de 340 metros por segundo (más o menos, ya que depende de muchos factores como la temperatura del aire. De hecho, en el agua es casi cinco veces superior). Sin embargo, como el vehículo se está moviendo, las que se emitieron más tarde están un poco más cerca de nosotros. El resultado es que la distancia entre las dos ondas generadas se ha acortado respecto a la que tendrían si el coche estuviera parado. La frecuencia, es decir, el número de vibraciones por segundo, es por tanto mayor, al ser la distancia entre ellas menor. Como consecuencia, el sonido lo escuchamos más agudo de lo que realmente es. 

Si has llegado hasta aquí, ya habrás comprendido porqué al alejarse el coche de Fórmula 1 el sonido es un poco más grave, más ronco. En este caso, el coche se aleja de nosotros. Las ondas sonoras se espacian más entre sí, disminuyendo la frecuencia. Nosotros las percibimos como un sonido más grave. Estos cambios de frecuencia que ocurren en función de la velocidad del objeto es lo que llamamos efecto Doppler. Son más evidentes en el sonido, ya que las velocidades de los vehículos son comparables a las de este (un coche a 120km por hora recorre 33 metros por segundo, es decir, casi un 10% de la velocidad del sonido en el aire). Pero también ocurre con la luz. Lo que pasa es que las velocidades de coches, trenes o aviones no son suficientes para que apreciemos el cambio de color. Si nos alejáramos suficientemente rápido, nuestra tez parecería un poco más roja. Si nos acercáramos muy rápidamente, nos verían un poco más azulados de lo que somos.

El sonido del silencio según mi teléfono móvil (izquierda). Derecha arriba, un coche acercándose. Abajo, un sonido sinusoidal.

Como estamos en verano, seguro que tenemos tiempo para experimentar un poco con el sonido y quizá lleguemos a observar este efecto Doppler utilizando nuestro teléfono móvil. Este laboratorio portátil que llevamos encima tiene habitualmente un micrófono bastante sensible. Hay apps gratuitas para descargar que permiten ver la distribución de frecuencias del sonido (llamado espectro). También hay aplicaciones que generan sonidos con formas características y con frecuencias que podemos ajustar. Si usas dos teléfonos, uno para medir y otro para generar, en algunos casos podrás observar en el primero como se mueve ligeramente el pico de la frecuencia característica que generas en el segundo, según lo acercas o alejas rápidamente. O quizá algo más sencillo y para lo que solo necesitas un teléfono. Comparar la frecuencia que emiten los coches que pasan a tu lado. O simplemente, el espectro del silencio. O del viento agitando las hojas de los árboles. A fin de cuentas, estamos en verano y ya toca relajarse un poco. ¡Disfruta experimentando con tu móvil!

Donde crees que me ves

¡Verano! Vacaciones. Relax. Tiempo para disfrutar. Los más jóvenes han dejado atrás por un tiempo clases y exámenes. Es época para experimentar un poco. Para curiosear. ¡Hagámoslo! ¿Tienes una pajita cerca? ¡Cógela! ¿Y un vaso? Llénalo de agua. Al meter la pajita dentro del vaso de agua, verás como esta se dobla. Si la miras cerca de la superficie del agua, mejor un poco ladeado, verás que parece que se dobla justo en el borde del agua, como se aprecia en la foto que acompaña este artículo. ¿Cómo es posible? Si sacamos la pajita, esta sigue estando recta, sin dobleces. Al introducirla de nuevo en el agua, ¡se vuelve a doblar!

De nuevo la luz y nuestra percepción de la realidad nos están engañando. Nuestro cerebro está acostumbrado a pensar que la luz se propaga siguiendo una línea recta. Sin embargo no ocurre así en este caso. La luz que vemos es la luz ambiental que se refleja en la pajita. El rayo de luz que parte desde ella hacia nuestros ojos, cuando abandona el agua y pasa al aire, cambia ligeramente de dirección. Por tanto, esta llega a nuestros ojos apuntando en una dirección diferente a la de partida. Nuestro cerebro interpreta la imagen que se forma en nuestro ojo como si estuviera en una posición que no es la real, sino una desplazada, dando lugar a esa “doblez” de la pajita.

Una forma sencilla de entender lo que ocurre se lo debemos a un gran matemático y sabio francés llamado Pierre de Fermat. Ya en el siglo XVII estableció su famoso principio: la trayectoria seguida por la luz es aquella que reduce al mínimo el tiempo para ir de un punto a otro.  Eso es lo que hace que la pajita parezca que se dobla. Pero ¿cómo es posible? Si como dicen los físicos que la velocidad de la luz es constante e insuperable, ¿no es el camino más corto la línea recta? Pues no. Realmente no. Lo que es constante e insuperable es la velocidad de la luz en el vacío. En cualquiera otra situación, puede cambiar. Así en el agua es cercana a los 225 000 kilómetros por segundo. Sigue siendo una velocidad enorme: podría dar casi seis vueltas a la Tierra en un segundo. Pero es bastante inferior a la que tiene en el vacío (300 000 kilómetros por segundo). Utilizando el principio de Fermat ¿qué es lo que pasa?

Los conductores sabemos que no siempre llegamos antes haciendo menos kilómetros, como ocurriría en el caso de ir en línea recta. A veces si vamos primero por una carretera y después por una autopista, recorriendo más kilómetros, llegamos antes, al poder ir más rápido por la autopista que por la carretera. A la luz le pasa lo mismo. Busca un camino algo más corto por la carretera del agua para llegar a la superficie, para aprovecharse después de un camino más largo por la autopista del aire en donde puede ir más rápido (la velocidad de la luz aquí es muy cercada a la que tiene en el vacío). El resultado es que el rayo de luz que llega a nuestros ojos proviene de un punto de la superficie del agua que no está en la línea que une nuestros ojos con la posición real de la pajita. Como consecuencia, vemos que la parte de la pajita que está por debajo del agua se encuentra en otro sitio diferente a donde realmente está. Nos da la sensación de que se ha torcido.

La división entre la velocidad de la luz en el vacío y la que tiene en un material como el agua se llama índice de refracción. Por ejemplo, para el agua es 1,33 mientras que para el aceite de oliva es de 1,46. Estas propiedades de los materiales hemos aprendido a utilizarlas eficientemente para, por ejemplo, construir gafas, telescopios, microscopios o las fibras ópticas que llevan rápidamente la información de un continente a otro o a nuestras casas. Pero también nos permite pasar un buen rato jugando. ¿Tienes todavía el vaso con agua y la pajita? ¿Sí? Pues sácala del agua y ponla al otro lado del vaso, mirándola a través del mismo. Si este es curvo, como lo son normalmente, prueba a acercar y alejar la pajita al vaso. A moverla a un lado y al otro. Si tienes suerte y algo de paciencia, podrás encontrar un sitio en donde la pajita ¡ha desaparecido! Se ha vuelto invisible. ¿Podemos hacer entonces la capa de invisibilidad de Harry Potter y ocultarnos bajo ella sin que nos vean? Pues a lo mejor en el futuro sí. En algunos casos podría ser posible utilizando unos materiales que tienen un índice de refracción negativo  y que se crean artificialmente con tecnologías muy sofisticadas. Pero esa, es otra historia. Ahora, aprovecha el verano y experimenta con la luz. 

¿Estás en la onda?

El programa ConCiencia organizado por la Universidad de Santiago y el Consorcio trae a Compostela a eminentes y reconocidos investigadores de diversos campos del saber todos los años. Esperemos que pueda continuar durante mucho tiempo con esta labor, ya que permite tener un contacto más directo con grandes personajes. Sobre todo cuando dejan sabios consejos y conocimiento, como ha sido con el Dr. Cohen-Tannoudji. En la interesante conferencia pública que ofreció en el auditorio de Abanca, habló de Física. Pero también de lo importante que es apoyar a los investigadores durante mucho tiempo para obtener resultados sobresalientes. Resultados que generan nuevo conocimiento y que puede no ser aplicable de inmediato o incluso nunca se utilice. Pero quizá sí se haga y cree enormes beneficios para todos. Dejó también algo importante en el aire: no hay que investigar para que te den el Premio Nobel; investiga para hacer buena ciencia. Si la haces, los reconocimientos podrían llegar o no, pero tu trabajo siempre estará ahí.

Sabia lección que probablemente ya conocía Louis de Broglie, uno de los padres de la dualidad onda-partícula de la que habló el profesor Cohen-Tannoudji. Broglie, físico francés de alta cuna (pertenecía a una familia noble francesa; fue el séptimo Duque de Broglie), propuso una revolucionaria idea: si Einstein había concebido (como comentamos en el número de marzo de Lindeiros) que la luz, una onda, podía comportarse como una partícula, ¿por qué una partícula con masa no podía ser al mismo tiempo una onda? Así, en 1924 presentó su tesis doctoral en la que proponía que toda partícula en movimiento tiene una onda asociada. Su hipótesis revolucionó la ciencia del momento. Dos años después se confirmó en los laboratorios de la empresa  Bell Telephone Laboratory  (sí, en una empresa. En España es casi impensable que las empresas hagan investigación básica, pero no ocurre lo mismo fuera), cuando comprobaron que los electrones podían comportarse también como una onda. En 1929, solo 5 años después de defender su tesis doctoral con su revolucionaria propuesta, obtuvo el premio Nobel.

La demostración inicial de la propuesta de De Broglie sobre la naturaleza ondulatoria de los electrones fue realizada por los investigadores de esta compañía, Clinton Davisson y Lester Germer. El primero recibió también el premio Nobel en 1937 por ello. Para hacerlo, utilizaron un cristal de átomos de níquel. En ciencia de materiales, cuando se habla de un cristal no se piensa en un material como el vidrio de las ventanas que comúnmente llamamos cristal. Se refiere más a cosas como la sal, que tienen una estructura interna regular. Los átomos de níquel se agrupan por capas en el cristal. Cada capa la podemos visualizar como una red de pesca estirada, donde los átomos de níquel están en cada cruce de las cuerdas. 

Sobre este cristal de níquel lanzaron un haz de electrones acelerados previamente hasta alcanzar una velocidad conocida y midieron cuantos de ellos se desviaban de su camino, volviendo hacia atrás.  El número de electrones que medían variaba con el ángulo que formaban el detector  y el haz de electrones cuando apuntaban al mismo punto de la superficie del cristal. Para algunos ángulos contaban más electrones que para otros.  Las medidas se parecían a las que se obtenían cuando se hacía el mismo tipo de experimentos con luz, en concreto con rayos-X. En este caso, se puede explicar la variación que se obtiene por el carácter ondulatorio de la luz. Dado que ambos patrones coincidían, era aceptable la interpretación de que el haz de electrones era también una onda, como los rayos-X. Además, teniendo en cuenta la masa y velocidad de los electrones, se podía calcular la longitud de onda que tenían los electrones según la hipótesis de De Broglie. Esta se ajustaba al tamaño necesario para obtener ese comportamiento ondulatorio si se tenía en cuenta la distancia entre las capas de átomos de níquel en el cristal. Todo encajaba casi a la perfección. Se había demostrado la idea revolucionaria de la dualidad onda-partícula. Hoy está plenamente aceptada. De hecho, se han realizado otros experimentos posteriormente que también se explican por el comportamiento ondulatorio, incluso con partículas mucho más grandes que los electrones (como los fulerenos, que son como pequeñas pelotas de 60 átomos de carbono).  Todos ellos nos indican que la materia (es decir, también nosotros) es partícula y onda a la vez.

Para saber más:

• Artículo original de Davisson-Germer.
• Dualidad onda-partícula con fulerenos C60 
• Artículo original de De Broglie
• Reproducción de la tesis original de De Broglie.

La curvatura de la luz de mayo

Albert Einstein es uno de los físicos del siglo pasado que ha influido más en la Física y la cultura moderna. Sus contribuciones van desde los tamaños más pequeños hasta el universo completo. En los primeros contribuyó notablemente al nacimiento de la Física Cuántica, aunque filosóficamente no le gustaba, ya que incluía un cierto nivel de aleatoriedad. Era como un juego de dados en donde no se sabe qué números saldrán hasta que se paran en la mesa. Su convencimiento era tal que se le atribuye la frase “Dios no juega a los dados”, en referencia a que la Física no podía ser aleatoria. Tenía que ser determinista, esto es, dadas unas condiciones iniciales tenemos que saber con certeza lo que pasará después. Así ocurre con los fenómenos físicos básicos, como la gravedad. 

Nuestra intuición nos dice, porque lo vemos todos los días, que si dejamos en el aire una manzana, esta caerá al suelo. Efecto que a otro gran físico, Newton, le inspiró su Ley de la gravedad que explica en una primera aproximación la fuerza de atracción entre dos cuerpos por el simple hecho de tener masa. Con esta ley física podemos explicar y calcular con gran precisión el movimiento de la Luna alrededor de la Tierra o el de la Tierra alrededor del Sol. 

Sin embargo, hace justo ahora 100 años, Albert Einstein presentó una nueva teoría para explicar la atracción de dos cuerpos que tienen masa. Se denomina Teoría General de la Relatividad y era una generalización de su Teoría Especial de la Relatividad. En esta última había explicado la dilatación del tiempo cuando nos movemos a velocidades cercanas a la de la luz: cuanto más rápido nos movemos, más lentamente marcan la hora los relojes que nos acompañan.  Este fenómeno es poco intuitivo para los humanos, ya que solo lo podemos apreciar a velocidades muy grandes comparadas con las habituales que experimentamos en nuestra vida cotidiana. En 1915, Einstein volvía a poner a prueba nuestra forma de ver el mundo con su Teoría General. De hecho, introducía un nuevo concepto para entender  la gravedad de Newton, que funciona tan bien: la atracción entre dos cuerpos ocurre porque la masa deforma el espacio alrededor suyo, dando como consecuencia que se atraen. Para comprender como ocurre podemos utilizar una simple tela y dos bolas, una mucho más grande que la otra. Si extendemos la tela horizontalmente, bien sujeta por los bordes, como la de un cuadro, y ponemos la bola más grande en el centro, veremos que la tela se deforma, curvándose desde los extremos del marco hacia donde hemos puesto la bola grande. Si ahora dejamos la segunda bola en cualquier punto de la tela, esta irá corriendo a encontrarse con la más grande. El efecto es similar a que si las dos bolas se atrajeran mutuamente.  Esta nueva teoría permitió explicar casi completamente el movimiento de Mercurio, que no se lograba calcular adecuadamente con la teoría de Newton. 

Pero la nueva teoría de Einstein traía más sorpresas. Entre ellas, que la luz, que no tiene masa y que por lo tanto según Newton era inmune a la gravedad, se veía afectada por la presencia de grandes masas como el Sol: su trayectoria también se curvaba como la de un planeta. La consecuencia es que podríamos ver otras estrellas que realmente están por detrás del Sol, aunque nosotros las veríamos como si estuvieran a un lado, al interpretar que la luz se ha movido desde esa estrella siguiendo una línea recta. Solo cuatro años después de su publicación, en el eclipse del 29 de mayo de 1919, Arthur Eddington comprobó experimentalmente esta asombrosa predicción, fotografiando la luz de una estrella que estaba detrás del Sol. De nuevo la luz había contribuido a nuestro asombro y nuestra comprensión del Universo.

Láser. Una solución buscando un problema

Probablemente muchos de los lectores de Lindeiros recordarán la inauguración de la fuente de la Plaza Roxa que incluía un láser central que apuntaba hacia el cielo. Se prometía espectacular. Aunque muchos seguro que salieron defraudados, ya que la luz del láser poco se vio. Si mi memoria no me falla, tuvieron algo de suerte porque había unas pocas nubes en donde sí se apreciaba algo de luz. ¿Por qué digo suerte? Pues porque el láser solo lo podemos ver claramente cuando atraviesa algún medio que provoque su dispersión, como el humo que se echa en las discotecas o en los espectáculos musicales.

Aunque ya utilizamos comúnmente la palabra láser, esta es el acrónimo de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (o, en castellano, amplificación de luz mediante emisión inducida de radiación).  ¿Qué quiere decir esto?

La física cuántica nos ha permitido comprender la naturaleza de los átomos, de las moléculas y de la luz. Por ejemplo, los átomos tienen un estado fundamental de mínima energía. Sin embargo, si les aportamos energía (por ejemplo, calentándolos), alguno de sus electrones puede capturarla, pasando el átomo a otro estado llamado excitado. Aunque la cantidad que gana no es cualquiera. Es como si ese electrón subiera uno o varios peldaños de una escalera: puede subir y posarse en uno de ellos, pero no quedarse flotando en la mitad. Pero como ese no es su estado fundamental, el electrón intenta volver a su estado anterior, para lo cual tiene que perder energía. La diferencia entre la energía de ambos estados se pierde emitiendo un pequeño pulso de luz que llamamos fotón. Este tiene una frecuencia determinada, es decir, es de un color definido, aunque el resto de sus propiedades pueden diferir de átomo a átomo y pueden salir en cualquier dirección. A este fenómeno se le llama emisión espontanea.

Sin embargo, ya en 1916 Einstein empezó a vislumbrar que los fotones generados por un material podrían tener exactamente las mismas propiedades en algunas situaciones. Este es el caso del láser. Para crearlo, lo primero que se necesita es tener más átomos (o moléculas, dependiendo del tipo de láser) en un estado excitado que los que siguen en el estado fundamental. Para ello, se aporta energía al material. Cuando tenemos esa situación, se ilumina con una luz de frecuencia igual a la que emitiría el átomo para volver a su estado fundamental. Al pasar los fotones de esta luz a través de este material excitado, sus átomos pierden la energía que tienen de más, emitiendo cada uno un fotón. Pero en este caso, la magia de la física hace que estos nuevos fotones, no solo tengan la misma frecuencia, sino también que sean iguales el resto de sus propiedades. Y además, se mueven muy juntitos en el mismo sentido. Y siguen moviéndose así de juntos a menos que choquen con alguna partícula que los haga desviar. De ahí que para ver el láser se utilice humo.

Patrón de difracción generado por láser (Fuente: Natural Philo en Wikimedia.org)

Aunque Einstein vislumbró este comportamiento a principios del siglo pasado como una curiosidad científica, no fue hasta 1960 cuando Theodore Maiman construyó el primer láser funcional. Al principio, se vio como “una solución a la búsqueda de un problema”. No se tenía claro en que se podría aplicar. Hoy el láser está presente en muchas de nuestras tecnologías, desde la medicina hasta la transmisión de la información. Pasando por las múltiples aplicaciones como el DVD, la soldadura, la impresión en 3D, la limpieza de materiales, etc. Es el ejemplo perfecto para explicar que hemos de apoyar a la investigación básica, sin esperar que sus resultados tengan una aplicación inmediata. Las aplicaciones de nuevos conocimientos generados por la Ciencia pueden necesitar décadas para inventarse. Pero, cuando llegan pueden, como el láser, cambiar nuestras vidas radicalmente.

El año de la Luz

Desde 2008 a 2014, el recibo de la “luz” se ha encarecido un 65%. Es decir, si en 2008 pagábamos 1€ por la electricidad consumida, en 2014 por ese mismo consumo tenemos que abonar 1,65€. ¡Ojalá nuestros salarios hubiesen subido en la misma proporción! Aunque con la situación económica actual probablemente no haya sido así. Pero realmente la luz es imprescindible para nuestras vidas, hecho que se quiere resaltar este año que ha sido nombrado como Año Internacional de la Luz por la Organización de las Naciones Unidas (ONU).

La luz es maravillosa y ciertamente mágica. Sus propiedades físicas son sorprendentes y no han  sido fáciles de comprender. Habitualmente pensamos en la luz como aquella que vemos los humanos, la luz visible, desde los colores azules a los rojos que observamos en el arcoíris. Sin embargo, en Física la luz es cualquiera de las ondas electromagnéticas que nos rodean. Así nuestra luz visible está emparentada con las ondas de radio, o los rayos X que utilizamos para hacer las radiografías. Lo que diferencia las ondas de radio o los rayos X de la luz visible es su longitud de onda, es decir, la distancia existente entre dos máximos de la onda. Cuanto más grande es esta, más pequeña es su frecuencia, o lo que es lo mismo, el número de oscilaciones por cada segundo. Así, una radio que emita en la banda de frecuencia modulada a 100MHz, o 100 000 000 oscilaciones por segundo, tendrá una longitud de onda de aproximadamente 3 metros. En realidad, la luz visible tiene una longitud de onda que va desde los 400 a los 800 nanómetros (es decir, de 0.000 000 4 a 0.000 000 8 metros), mientras que las longitudes de las ondas electromagnéticas conocidas van desde 0.000 000 000 000 001 a 100 000 000 metros. Por tanto, la luz visible cubre una parte muy pequeña del espectro conocido.

La relación entre la longitud de onda y la frecuencia de oscilación es la velocidad de la luz, cercana a los 300 000 kilómetros por segundo (299 792 458 metros por segundo): si multiplicamos su frecuencia por su longitud de onda, obtenemos su velocidad. Que en el vacío es igual para todas las frecuencias. Esta velocidad es asombrosa desde el punto de vista humano: en un segundo, la luz podría darle casi 8 vueltas a la Tierra. Esta es además una velocidad límite, ya que las teorías físicas actuales limitan la velocidad de cualquier objeto o la transmisión de cualquier información a esta: nada puede propagarse en el vacío a una velocidad superior a la velocidad de la luz.

Pero ¿qué oscila? Aquí está una de las propiedades mágicas de la luz. Las olas en un estanque mueven el agua de arriba abajo. Es decir, se propagan en un medio. No existirían en el vacío. Por el contrario, la luz sí se transmite en el vacío. Esto es debido a que la naturaleza de la luz viene dada por los cambios del campo eléctrico y campo magnético. La variación del campo eléctrico genera un campo magnético y viceversa. La luz es por tanto la oscilación de estos dos campos de forma conjunta, no necesitando un medio para propagarse.

Pero además de comportarse como una onda, la luz también puede hacerlo como una partícula, que llamamos fotón. Puede por tanto chocar con otras partículas, transfiriendo parte o toda su energía en la colisión. Fenómeno que se utiliza por ejemplo en las placas fotovoltaicas que generan electricidad. O que usan las plantas en el proceso de fotosíntesis. Vemos y comemos gracias a ella. ¿Qué se merece más un Año Internacional?