Teorías del comportamiento de la luz

Todo el mundo conoce la luz, ¿verdad? Antagonista de la oscuridad, portadora de vida, mensajera de buenas noticias... Pero, ¿quién sabría describirla? He aquí la pregunta del millón; ¿qué es la luz? ¿Algo incórporeo? ¿Algo inimaginable para la mente humana? ¿Un enigma sin respuesta? Pues de todo un poco hay, desde luego, pero lo mejor será comenzar presentando a nuestra protagonista. 

Podríamos buscar el significado de "luz" en un diccionario cualquiera, como podría ser el de la RAE, pero lo único que obtendríamos es un montón de acepciones que sólo hacen referencia al sentido etimológico de la palabra. Así pues, deberemos buscar otro diccionario, como por ejemplo el Science Dictionary, un diccionario que nos da la definición científica de cada palabra (aquellas definiciones demasiado técnicas para un diccionario corriente). Según este diccionario, la luz visible no es más que "radiación electromagnética ante la que reaccionan los órganos de visión, en un rango de longitud de onda oscilante entre 400 y 700 nm, y propagada a la velocidad de 299 972 km/s, considerada tanto un fenómeno ondulatorio como corpuscular como cuántico". ¿Ha quedado claro? Es de suponer que no, pues esta definición, a parte de corresponder sólo a aquella luz que nuestro ojo puede captar, nos puede dejar más dudas de las que nos resuelve. Paso a paso. 

Grandes científicos han estudiado la luz a lo largo de la historia de la humanidad, desde Newton hasta Einstein, pasando por Maxwell, Young, Hooke, Huygens, Kepler, Gauss... Y aunque parezca extraño, aún no se sabe exactamente qué es la luz; sólo tenemos una serie de hipótesis que encajan unas con otras y que forman parte de una ley física que aún no se ha encontrado. Pero no os preocupéis, no voy a extenderme demasiado. En este escrito, explicaré de forma accesible las tres principales definiciones del comportamiento de la luz: comportamiento corpuscular, ondulatorio y cuántico. 

Comencemos por la más antigua de esas tres, la teoría corpuscular de la luz, creada por el mismísimo Isaac Newton y explicada en su libro Opticks, libro que fue duramente criticado. ¿Qué dice esta teoría? Según Newton, la luz está formada por pequeños corpúsculos, es decir, cuerpos microscópicos, que se mueven en línea recta. Parece una teoría bastante sólida, ¿no? El hecho de que la luz esté formada por micropartículas permite explicar el fenómeno de las sombras; tu colocas un objeto en la trayectoria de la luz y los corpúsculos de ésta chocan contra éste, imposibilitando que sigan iluminando más adelante. De ahí se genera la sombra, de la imposibilidad de la luz de atravesar cuerpos sólidos. ¿Cuál es el problema? Esa teoría tenía un gran némesis: los materiales translúcidos y transparentes. Según esta teoría, un cristal proyectaría la misma sombra que una pared, y obviamente no es así. ¿Qué falla, pues? 

Pasemos ahora a la francia del siglo XV, con Christiaan Huygens y su libro Traité de la Lumière, donde explicaba que cada frente de onda era, a su vez, una potencial nueva fuente de más ondas luminosas. Para explicar esto, llamado fenómeno de Fresnel-Huygens, vamos con un ejemplo claro: imagínate en una habitación vacía con una sola puerta. Al otro lado de la puerta hay otra habitación muchísimo más grande. Ahora, estando tú en el centro de la habitación más pequeña, pegas un grito frente a la puerta. Bien, no te sorprenderá saber que tu grito se oirá en todos y cada uno de los puntos de la otra habitación, aunque sea mucho más grande. Lo que sí te sorprenderá es saber que las ondas del sonido de tu grito, como cualquier onda, viajan en línea recta. Es decir, pasarán en línea recta por la puerta, chocarán con la pared del fondo y volverán a ti. ¿Cómo es posible, pues, que las ondas del sonido lleguen a todas partes si se supone que sólo viajan desde la puerta hasta la pared? Aunque lo estés pensando, no te estoy mintiendo. Todo lo que he dicho es cierto y demostrable. La explicación, pues, la dio Huygen; cada onda genera nuevas ondas, que no sólo siguen una trayectoria curvilínea, si no que se expanden esféricamente. Por cada expansión en forma de esfera, infinitas trayectorias en línea recta se generan, creando a su vez más expansiones esféricas que generan más trayectorias lineales... Así hasta el infinito. Es difícil de entender, y es por eso que Huygens fue tomado como un loco cuando relató lo mismo que os acabo de decir ahora para explicar el comportamiento ondulatorio de la luz. 

Si pegamos un salto en el tiempo, nos vamos con Thomas Young, un par de siglos más adelante. Este físico se hizo famoso gracias a su experimento (el "experimento de la doble rendija" o "experimento de Young"). Young recortó dos finísimas rendijas en una placa de material opaco, y apuntó hacia éstas un haz de luz blanca homogénea. Al otro lado dispuso papel fotográfico, famoso por reaccionar con suma facilidad ante la luz y oscurecerse en contacto con ésta. El resultado esperado por Young era el de observar dos líneas verticales sobre el papel fotográfico, coincidentes con las dos rendijas por las que salía luz. La sorpresa fue el descubrir que se generaron más de dos líneas verticales sobre el papel fotográfico, todas separadas la misma distancia y con la misma anchura. De esta forma, Thomas Young había demostrado que Huygens estaba en lo cierto, y que la luz estaba formada por ondas, (más adelante se demostró que eran ondas electromagnéticas). Este descubrimiento demostraba que la luz podía atravesar la materia, con lo que quedaba explicado el suceso de los materiales transparentes narrado un par de párrafos antes. También explicaba el porqué la luz da calor, o porqué nuestro cerebro es capaz de "ver" los niveles de luz de un lugar. Por desgracia, esta teoría no explicaba la aparición de sombras. ¿Por qué un cristal de 10 cm de grosor deja pasar toda la luz y un folio de 1 mm de grosor no? Esto, entre otras cosas, choca con la explicación dada por Huygens y Young. 

Y por fin llegamos a la teoría actual, la que mejor explica todos estos fenómenos y, por qué no decirlo, la teoría más difícil de comprender de las tres. Es la teoría cuántica de la luz, y ya con ese nombre no nos podemos esperar una explicación sencilla. Como todo lo que tiene que ver con la física cuántica, el ser humano es incapaz de imaginarse los sucesos que se narrarán a continuación; es decir, la mente lo interpreta como sucesos ilógicos o imposibles, aunque se haya demostrado que sucede de verdad. Comenzamos con la dualidad onda-corpúsculo, es decir, la teoría que comenzó a hilar Albert Einstein y que nos viene al pelo para ver qué le pasa a la luz. Según esta teoría, todas las partículas son a la vez onda y partícula. Es decir, toda la materia de la que está formado tu cuerpo se puede analizar como un conjunto de ondas de todo tipo. Sí, en efecto, todo tu ser no está formado por "bolitas" llamadas átomos, está formado por fluctuaciones energéticas que tanto se pueden presentar como ondas que como partículas. La dualidad onda-corpúsculo, como se puede observar, permite explicar perfectamente el comportamiento de la luz; simplemente hay que interpretarla como una onda o como un conjunto de micropartículas, depende de la situación. ¿Quiere decir eso que la luz se convierte en onda o en partícula a placer? No. Quiere decir que la luz es, al mismo tiempo, una onda y una partícula. I lo mismo sucede con toda la materia y toda la energía, pues según Einstein, materia y energía también es lo mismo (energía es igual a materia por la velocidad de la luz al cuadrado, E=mc²). Esto explica una parte del experimento de Young, el porqué, si la luz es una onda electromagnética capaz de atravesar materia, sólo atravesaba las dos rendijas que había recortado. Muy fácil: la luz actúa como corpusculo al llegar a la lámina, por lo que rebota, pero pasa a actuar como onda al atravesar las rendijas, confirmando así el efecto Fresnel-Huygens. Y aún así, el experimento de Young seguía teniendo lagunas. ¿Por qué tantas líneas verticales? ¿Por qué todas separadas la misma distancia y del mismo tamaño? Para ello nos desplazamos a otro capítulo de la física cuántica, el último que veremos aquí. 

Hay un fenómeno que no sólo es incomprensible para el 99% de la gente, si no que además aún no se ha encontrado explicación alguna. Hablo del entrelazamiento cuántico, un fenómeno tan extraño como apasionante. ¿En qué consiste? Bien, se ha demostrado experimentalmente que dos partículas pueden estar "conectadas", sin importar la distancia o los obstáculos que haya entre ellas. La forma más fácil de explicar el fenómeno es a través de un experimento llevado a cabo en el CERN. Se prepararon dos fotones, de tal forma que estaban entrelazados cuánticamente, y se lanzaron ambos a la misma velocidad pero en direcciones opuestas. Cuando cada uno de los fotones recorrió 2 km, se frenó a uno de ellos. Sorprendentemente, el otro fotón se paró en el mismo instante sin necesidad de frenarlo de ninguna manera. Este fenómeno, aún hoy en día sin explicación, tiene una base hipotética y científica: se cree que cada partícula puede estar en varios lugares al mismo tiempo, de tal forma que todas las posiciones espaciales se comportan exactamente igual porque en realidad es el mismo ente. Sí, lo sé, extraño e imposible de procesar por nuestra mente. Una misma partícula puede estar en varios lugares a la vez, sin inmutarse lo más mínimo y dando lugar a fenómenos muy extraños. Bien, pues el hecho de que los fotones (partículas de las que se forma la luz) puedan estar en varios sitios a la vez explica de cierta forma los resultados obtenidos por Young. Por desgracia, esta explicación añade más interrogantes de los que resuelve, pero es todo lo que tenemos hasta la fecha. No hay más teorías, más hipótesis ni más nada. Debemos reconocerlo: aún no comprendemos el comportamiento de la luz. 

Bien pues, hemos visto la evolución de algunas de las más importantes explicaciones que se dieron para justificar el comportamiento tan caprichoso de la luz, fruto de siglos y siglos de experimentos, cálculos matemáticos y grandes quebraderos de cabeza. Y si bien es cierto que hoy en día hay grandes científicos que trabajan día y noche para explicar cada uno de los fenómenos del universo, la luz es ese tema tabú que está aparcado, al menos hasta que nuestra ciencia avance algo más. Quién sabe cuándo saldrá otro científico a explicarnos más sobre la luz, ese gran desconocido.