El secreto de la luz (parte II)

El problema fundamental de la luz es conocer su naturaleza. ¿Es un fenómeno ondulatorio o corpuscular? Es decir, ¿está compuesta por ondas o por partículas?
Durante los últimos cuatrocientos años se ha debatido dicha cuestión, con argumentos, teorías y experimentos a favor y en contra de ambas posturas. Hubo épocas en las que predominaba la teoría ondulatoria y épocas en que lo hacía la teoría corpuscular.
Hoy en día, en nuestra visión moderna de la física y de la ciencia, es aceptado comúnmente que ambas teorías son correctas. Se ha asentado en la comunidad científica la idea de la doble naturaleza de la luz. Y es una idea muy arraigada, por extraña que sea. Nuestro sentido común nos dice que una cosa no puede ser dos cosas, o es una, o es otra, pero no las dos a la vez. Sin embargo, todos los experimentos realizados ratifican que la luz se comporta a veces como una onda, y a veces como una partícula.
A esta propiedad, cuyo origen se encuentra en la física cuántica, se le conoce con el nombre de dualidad onda-partícula, y es debida a que determinados fenómenos son explicables sólo si la luz se comporta como una onda, y otros sólo si está formada por partículas. Así, dependiendo de qué tipo de fenómeno estemos intentando explicar, nos interesará considerar a la luz como una onda o como una partícula.

La luz, considerada como una onda, viaja a diferentes velocidades dependiendo del medio por el que se propague (aire, agua, etc…). Esto da lugar a una curiosa propiedad de la luz denominada refracción. La refracción no es más que un cambio en la dirección de la luz cuando pasa de un medio a otro, provocado por el cambio en la velocidad. ¿Y por qué cambia de dirección al cambiar de velocidad? Pues porque existe una ley que le obliga a comportarse así, y es la que dice que la luz, para llegar de un punto a otro, siempre elige el camino cuyo recorrido le ocupe el menor tiempo posible. Veamos un ejemplo para entenderlo mejor: imaginad que sois un socorrista en la playa de Santa Mónica, en Los Ángeles. Sí, la de la serie Los vigilantes de la playa. Así el ejemplo será más ameno. Os encontráis en vuestra torreta de control (punto A), exhibiendo vuestro escultural cuerpo y vuestra piel bronceada. De repente se oyen unos gritos. Un despistado bañista (punto B) se encuentra en apuros en el agua, digamos a unos 300 metros de distancia y a unos 45º desde vuestra posición. Cogéis el salvavidas, ese naranja que siempre llevaban en la serie, y salís corriendo hacia el bañista, tratando de llegar hasta él en el menor tiempo posible. La primera idea es ir directamente en línea recta hacia el bañista, pero puesto que la velocidad corriendo por la arena es muy diferente a la velocidad nadando por el agua, la trayectoria más rápida no sería una línea recta hacia él, sino una línea quebrada. Imaginad que sois más rápidos nadando que corriendo. Lo ideal sería llegar cuanto antes al agua, es decir, seguir una línea recta y perpendicular a la orilla, y una vez en el agua, girar y trazar otra línea recta hacia el bañista. De esa forma recorreríais menor distancia en la arena, donde sois más lentos y más distancia en el agua, donde sois más rápidos. Y precisamente así es como funciona la luz, cambiando de dirección cuando cambia de medio, o sea, refractándose. Por eso parece quebrado un lápiz cuando lo sumergimos en un vaso de agua.

Hemos visto que las ondas (recordemos que la luz se puede considerar como una onda), al cambiar de medio, por ejemplo del aire al agua, o al atravesar un material, desvían su dirección por refracción, pero dependiendo de su longitud de onda se desviarán más o menos: a menor longitud de onda mayor desviación. Así, cuando un rayo de luz blanca (que contiene todas las longitudes de onda) atraviesa un prisma, es desviado por refracción, pero además se descompone en todos los colores (diferentes longitudes), pues cada uno se desvía con un ángulo diferente. Esta propiedad se conoce como dispersión de la luz, y es la responsable por ejemplo de la aparición del arco iris. Cuando los rayos del sol atraviesan las diminutas e innumerables gotas de humedad contenidas en la atmósfera terrestre, éstas actúan como prismas, dispersando la luz en todas sus longitudes de onda, en todos sus colores, formando así el arco iris.
La refracción y la dispersión también son las responsables de que veamos el cielo azul. Los rayos solares, en su recorrido hasta nosotros, chocan con partículas de aire que también actúan como prismas, dispersando la luz blanca en todos los colores.
Los rayos de longitudes de onda larga (rojos y amarillos) casi no se desvían, mientras que los rayos violetas y azules son los más desviados. Éstos varían su trayectoria, y vuelven a chocar con otras partículas, y así sucesivamente, rebotando una y otra vez hasta que alcanzan el suelo terrestre. Así, cuando finalmente llegan a nuestros ojos, no parece que vengan directamente del Sol, sino de todas las regiones del cielo, provocando que lo veamos azulado (no lo vemos violeta porque la luz del Sol contiene más azul que violeta y porque el ojo humano es más sensible a la captación de luz azul).

Otra de las propiedades más interesantes de la luz es su velocidad. Hoy sabemos que es finita, y conocemos exactamente su valor, pero no siempre fue así. Ya en el siglo I d.C. se plantearon si la luz tenía una velocidad determinada. Una de las creencias más antiguas al respecto era que la luz era emitida por el ojo. Siendo así, y puesto que los objetos, incluso los muy lejanos como planetas y estrellas, aparecían instantáneamente nada más abrir los ojos, se llegó a postular que la velocidad de la luz debía ser infinita. Hoy sabemos que no es así.
El ojo no emite luz, sólo la capta; y ni mucho menos ésta tiene una velocidad infinita. Aunque es rápida, muy rápida. De hecho, no existe nada que viaje más rápido que la luz. Su velocidad es la máxima que permite la Naturaleza.
La velocidad de la luz es de unos 300.000 kilómetros por segundo. El valor exacto aceptado en la actualidad, obviando algunos decimales, es de 299.792,458 km/s. Esta es la velocidad en el vacío, y se representa con la letra c, pero cuando viaja por otros medios es algo inferior, dependiendo de las propiedades de dichos medios. Así, al propagarse por el aire la velocidad disminuye un 3%, y por el agua casi un 25%.
Esta fantástica velocidad permite a la luz dar 7,5 vueltas al planeta Tierra en un segundo, y nos hace parecer que su efecto es instantáneo, pero no es así. Para que los efectos sean palpables hemos de mirar a las estrellas. La luz que sale del Astro Rey tarda algo más de ocho minutos en llegar a nosotros. La siguiente estrella más cercana es Próxima Centauri, situada a 4,2 años luz, es decir, que su luz tarda aproximadamente 4,2 años en llegar hasta la Tierra (lo que nos da una idea de la excepcional distancia a la que se encuentra). Y la galaxia más cercana a la nuestra es Andrómeda, cuya luz partió de allí hace alrededor de 2,5 millones de años (algo que supone una distancia que se escapa a nuestra comprensión). Por eso, cuando miramos al espacio, estamos viendo el pasado. Observamos cómo era la galaxia de Andrómeda hace 2,5 millones de años, cómo era Próxima Centauri hace 4,2 años y cómo era nuestro Sol hace 8 minutos.

Estas distancias astronómicas, hacen que otras estrellas sean inalcanzables para el hombre, ya que las velocidades a las que viajan nuestros cohetes están muy lejos de la velocidad de la luz, y serían necesarios demasiados años para aterrizar en algún planeta de otro sistema estelar, suponiendo que exista alguno habitable dentro de nuestra galaxia. Por probabilidad debería haberlo, si no en la nuestra, al menos sí en otras. Pero hablar de colonizar otras galaxias parece hoy por hoy una auténtica quimera (ya hemos visto que la más cercana se encuentra a 2,5 millones de años luz).
Sin embargo existe una posibilidad de atravesar dichas distancias en mucho menos tiempo, y aunque suene a ciencia-ficción no lo es. Para ello nuestra civilización debe conseguir el dominio del Hiperespacio: alcanzar energías que le permitan doblegar, arrugar el tejido del espacio-tiempo, y desplazarse hacia lejanas galaxias a través de otras dimensiones. Pero ése es otro tema…