Luz, la energía más prodigiosa del universo

Ninguna tecnología existiría sin la capacidad humana de observar y transformar todo. hasta las ondas lumínicas

Por Sidney Perkowitz

La luz es una energía misteriosa que está presente en todo el cosmos. Y aunque se conforma de fotones, también se comporta como onda electromagnética. Desde tiempos inmemoriales la humanidad ha sabido manipular la luz, aun sin entender su naturaleza dual. Los antiguos egipcios, griegos, romanos y chinos hicieron espejos y ya sabían algo sobre óptica. Más tarde, en el siglo XIV, se usaban lentes correctivos y, en el XVII, los científicos comenzaron a explorar el Universo a través de microscopios y telescopios.

En la actualidad, la utilizamos para desarrollar tecnología. Ahora podemos realizar el tan anhelado sueño de la invisibilidad: frenar por completo su velocidad y utilizarla para sondear desde el fondo el nanomundo y las galaxias más lejanas. Por todo ello, en 2015 celebramos el Año Internacional de la Luz, un homenaje a todos los hombres que han dedicado su vida a explorar esta radiación.

Las ventajas del láser

Muchas de las posibilidades actuales de la luz se desprenden del que podría ser considerado como el mayor avance en la tecnología lumínica: el láser, que fue inventado en 1960 y aún ofrece nuevas aplicaciones.

El láser depende del proceso cuántico de emisión estimulada, en el que los fotones interactúan con átomos excitados para crear fotones adicionales con propiedades idénticas. Esto produce un rayo altamente direccional cuya longitud de onda, dependiendo de los átomos usados, puede caer en el rango ultravioleta, en el visible o en el infrarrojo. Y su poder puede ir del rango de un solo fotón hasta en el de los teravatios (billones de vatios).

Esa versatilidad le da al láser miles de usos: desde las “pinzas ópticas” que pueden atrapar una sola molécula, cirugías de ojos y en las lecturas de DVD de alta resolución.

Su mayor empleo se da en la Instalación Nacional de Ignición, en el Laboratorio Lawrence Livermore, en California. En ese lugar, un láser del tamaño de un estadio de futbol produce teravatios de luz ultravioleta con el fin de inducir una fusión nuclear de hidrógeno, el mismo proceso que hace que el sol brille, para generar una nueva fuente de energía para la humanidad.

Los láseres ofrecen apoyo a una gran diversidad de tecnologías. Antes, las llamadas de celulares y las descargas por internet se hacían por medio de electrones que viajaban a través de cables de cobre. Ahora, pequeños láseres de baja intensidad envían fotones a través de una red global de fibra óptica para mandar mensajes, información y entretenimiento. El mismo cambio de electrones a fotones se da en el ámbito computacional.

Los científicos han descubierto que cuando envían un láser a través de una nube ultrafría de átomos, a 300,000 kilómetros por segundo, la luz se detiene por completo y puede ser almacenada para un uso posterior. Esto abre la posibilidad al avanzado almacenamiento de información y a una computación en la cual las propiedades cuánticas de los fotones ofrecen grandes ventajas sobre los electrónicos digitales convencionales.

Una mirada al universo

Cuando fue inventado, al láser se le conocía como el “rayo de la muerte”, porque se le relacionaba con el uso de armas bélicas; sin embargo, su aplicación en esta área es muy reciente. En 2014, la Naval estadounidense anunció que una arma láser a bordo del USS Ponce en el Golfo Pérsico había sido aprobada para uso defensivo. Su infrarrojo de 30 kilovoltios de poder puede deshabilitar drones, pequeños botes de ataque y helicópteros.

Los láseres y los fotones no son la única tecnología moderna. Los microscopios que usan ondas de luz también han avanzado mucho.

Los microscopios han sido indispensables desde los primeros trabajos de Antoni van Leeuwenhoek y Robert Hooke, pero las ondas de luz se esparcen o difractan al atravesar estos aparatos, lo cual distorsiona la imagen de tal suerte que el objeto más pequeño que puede ser definido es de unos 200 nanómetros de diámetro. Ahora los científicos pueden superar este “límite de difracción”.

El Premio Nobel de Química de 2014 fue concedido a Eric Betzig, William E. Moerner y Stefan Hell, por la invención de técnicas de súper resolución que pueden definir hasta diez veces más la imagen de un microscopio. El llamado nanoscopio.

En un inmenso desarrollo para la biomedicina, por primera vez los investigadores pueden examinar moléculas individuales que están dentro de células, o las proteínas involucradas en el Alzheimer.

Por su parte, los telescopios astronómicos ya tienen una mayor capacidad. Originalmente, usaban lentes, como los que el científico del Renacimiento Galileo Galilei usó para apuntar al cielo en el siglo XVI. Después, Isaac Newton mostró que es mejor un diseño con un espejo cóncavo que refleje la luz hacia un punto focal.

Hoy, la mayoría de los telescopios astronómicos usa grandes espejos para acumular la máxima cantidad de luz y evitar efectos de difracción. El diámetro más práctico para un gran espejo es de ocho metros, pero los científicos exceden ese tamaño al ensamblar cuidadosamente pequeños espejos suavizados que funcionan como un solo espejo gigante.

Este acercamiento ha producido telescopios de luz visible más poderosos. Con 36 espejos hexagonales de 1.44 metros de largo, el Gran Telescopio Canarias en las Islas Canarias y dos telescopios Keck idénticos encima del volcán extinguido Mauna Kea, en Hawái, simulan espejos de 10.4 metros y 10 metros, respectivamente. Éstos observan a fondo el Universo para descubrir nuevos exoplanetas y las galaxias más distantes.

Teoría del Todo

Estudiar la luz como onda ha producido grandes avances como la tecnología de la invisibilidad. La fantasía de hacer una persona o un objeto invisible se remonta a la mitología griega y continúa en obras como El Hombre Invisible de Herbert George Wells y las historias de Harry Potter.

Ya se han construido mantos de invisibilidad capaces de ocultar pequeños objetos. Son fabricados con metal o semiconductores ordenados de tal manera que cuando las ondas de luz entrantes se encuentran con ellos se doblan alrededor del manto, como hace el agua cuando encuentra un obstáculo, formándose de nuevo del otro lado. El observador no ve el manto o el objeto dentro de éste, sino sólo luz aparentemente no trastornada.

Estos avances señalan el camino para los próximos resultados espectaculares. También, se están construyendo telescopios con espejos segmentados de 39.4 y 30 metros de largo; los más grandes del mundo comenzarán a operar después de 2020. El Telescopio Espacial James Webb de la NASA, que será lanzado en 2018, utilizará un gran espejo segmentado y será el siguiente paso después del Hubble.

En lo que respecta a la tecnología de láser cuántico, los científicos diseñan satélites espaciales para transmitir fotones alrededor del mundo y asegurar por completo las comunicaciones. Esta red facilitará la medición de fotones, lo cual nos ayudará a comprender cómo combinar la física cuántica con la relatividad general y nos llevará a una Teoría del Todo. Los trabajos en la energía a partir de la fusión de láser continúan, así como los desarrollos de los láser “tractor”, que jalan partículas para limpiar la contaminación atmosférica.

El alcance de su tecnología, desde sus beneficios inmediatos hasta el apoyo a su investigación fundamental, asegura que la luz siempre jugará un papel importante para la humanidad. En unos 50 o 100 años después de este primer Año de la Luz, sin duda habrá nuevos descubrimientos para seguir festejando.

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