HUMOR CIENTÍFICO

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FRASES CÉLEBRES (DE CIENCIA)

"Locura es hacer la misma cosa una y otra vez esperando obtener diferentes resultados" A. Einstein

domingo, 5 de noviembre de 2017

¿QUÉ ES LA LUZ?

     Este es el tercer año consecutivo que doy clase a un grupo de alumnos de los que podríamos calificar de “simpáticos”. Ese tipo de grupo que podría ser académicamente excelente pero que, por no callarse ni debajo de agua, termina siendo un curso “bueno a secas”.  Porque cuando el grupo está más pendiente de hacer gracietas o de cómo dice las cosas el profesor (para “sacarle punta”) y no de lo que está realmente explicando, el resultado académico se resiente inevitablemente. Y más si estas en segundo de bachillerato y te la juegas todo a la carta de la selectividad.
      Pero la desaparición por deserción de los “elementos” mas perturbadores, hace que este año las cosas vayan un poco mejor. Así que hay alumnos, como María, que ya son capaces de hacer preguntas muy interesantes sobre el tema de clase, preguntas que superan el mero conocimiento que se les exigirá. En ese momento es cuando un profesor puede disfrutar de verdad, enganchando a la clase con historias interesantes o con la belleza intrínseca de la ciencia. Entonces, cuando el profe cautiva al alumno, la enseñanza se convierte en arte, tal y como sabiamente intentó explicar una vez el orientador del IES San Isidoro a un grupo de padres  de esos que creen saber enseñar mejor que los propios profesionales.   
    Así que intentaremos disfrutar María y yo ( y espero que también los amables lectores) de cómo se desentrañó la naturaleza de la luz.
    La luz siempre ha sido un gran misterio para el hombre. Durante miles de años muy poco sabíamos sobre ella. El primer hombre en proponer una idea coherente sobre ella fue Isaac Newton en 1666. Para Newton la luz estaba formada por pequeñísimas partículas (corpúsculos), que viajaban extremadamente rápido; tanto que su velocidad no podía ser medida (incluso Galileo, padre de la ciencia, había fracasado en el intento). Con esa idea Newton fue capaz de explicar lo poco que se sabía de la luz: viajaba en línea recta, se reflejaba en una superficie pulida, cambiaba de dirección al pasar del aire al agua o se dispersaba al pasar por un prisma.
   Sin embargo su “teoría corpuscular de la luz” tenía varias grietas, entre ellas, que los rayos de luz podían entrecruzarse sin perturbarse entre ellos. Para evitar este inconveniente Huygens (1678) propuso que la luz era una onda de algún tipo. Esta “teoría ondulatoria de la luz” explicaba casi todo lo conocido sobre ella, excepto su propagación en línea recta y su capacidad para propagarse en el vacío (entre el Sol y la Tierra, por ejemplo), ya que una onda como el sonido necesita un medio para propagarse (aire, agua).
   Durante unos cien años ambas teorías compitieron sin que pareciese haber un claro triunfador, hasta que la situación cambió en 1800. En ese año un científico inglés, Thomas Young, hizo pasar rayos de luz por dos orificios muy pequeños y juntos, recogiendo la luz saliente en una pantalla. El resultado del experimento fue una serie de bandas (franjas) alternas de luz-oscuridad, que sólo podía atribuirse a una naturaleza ondulatoria de la luz. 
   La balanza pareció inclinarse definitivamente hacia la teoría ondulatoria cuando Fresnel propuso una explicación matemática clara de los fenómeno implicados en el experimento de Young (y los suyos propios): la  longitud de onda muy corta de la luz respecto a otras ondas explicaba su extraño comportamiento de viajar en línea recta y lo dificultoso de reproducir fenómenos de difracción e interferencia (las franjas de Young).
   A pesar de esto quedaba pendiente de explicación la capacidad de la luz de propagarse sin un medio aparente. La solución empezó a vislumbrarse en 1860 cuando James Clerck Maxwell presentó a la comunidad científica un conjunto de ecuaciones que unificaba y explicaba los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola fuerza electromagnética.
   Según Maxwell una carga quieta deforma el espacio a su alrededor de una cierta manera que llamamos campo eléctrico. Cuando la carga se mueve se genera, además, otra deformación del espacio que llamamos campo magnético. Pero ambos campos interaccionan entre sí, de manera que un campo eléctrico genera uno magnético a su alrededor y el nuevo campo magnético otro nuevo campo magnético, que genera uno eléctrico y así sucesivamente.
    Esta situación es exactamente igual a lo que ocurre cuando tiramos una piedra en el agua, La piedra “empuja” el agua hacia abajo y el agua empujada “tira” del agua a su alrededor, que tira a su vez del agua a su lado y así sucesivamente hasta que vemos una onda (una ola).
    Por lo tanto, Maxwell proponía que una carga en movimiento generará ondas electromagnéticas en el espacio que la rodea. Estas “ondas electromagnéticas” tendrían propiedades sospechosamente parecidas a las de la luz, incluida su capacidad para propagarse en el vacío.
    ¿Pero es cierto que una onda electromagnética es luz?.  El bingo lo cantó Hertz en 1887 al ser fue capaz de producir ondas electromagnéticas a partir de un circuito eléctrico. Ondas que eran indistinguibles en propiedades de las de la luz. Con esto la batalla había sido ganada definitivamente por la naturaleza ondulatoria de la luz.
      Pero, contra todo pronóstico y para mayor asombro de la comunidad científica, en el mayor triunfo de la teoría ondulatoria estaban las semillas de su mayor fracaso. Los experimentos de Hertz llevaron a otro científico, Lenard, a encontrar que la luz podía arrancar electrones de ciertos metales y producir una corriente eléctrica en un circuito. Este “efecto fotoeléctrico” (por el que recibirá el premio Nobel en 1905) tenía una serie de características que no podían ser explicadas de ninguna manera suponiendo que la luz era una onda.
    Si un cierto metal emitía electrones con luz amarilla, resultaba que en ningún caso podíamos obtener el efecto fotoeléctrico con luz roja (de menor energía), aunque esta fuera muy intensa. Si intensificamos el rayo de luz amarilla conseguiremos que salten un número mayor de electrones (lo esperado), pero todos viajaban a la misma velocidad. Si la luz fuese una onda deberíamos obtener también electrones mas veloces al intensificar la luz amarilla, de la misma manera que esperaríamos ver el efecto fotoeléctrico al aumentar la intensidad de la luz roja.  Además si usamos luz azul (mas energética que la amarilla) veremos electrones mas veloces, pero un aumento de la intensidad conduce a mas electrones igual de veloces, nunca se traduce en electrones mas rápidos.
   Al final fue Albert Einstein el que tuvo que acudir al rescate de la ciencia en 1905.  Su explicación del efecto fotoeléctrico (Premio Nobel de 1922) resucitaba la teoría corpuscular.  La luz, explicaba Einstein, está formada por partículas llamadas fotones, cuya energía dependía de la frecuencia (magnitud de la onda que indica su energía) del haz de luz. Cada átomo individual sólo puede coger un fotón, de manera que la velocidad del electrón que salta depende de  la diferencia entre la energía total que lleva el fotón y la energía necesaria para el salto.
   Los fotones rojos llevan una energía menor que la que necesita el electrón para saltar: el efecto fotoeléctrico nunca ocurre. Los fotones amarillos llevan una energía superior a la precisa para el salto, así que saltan electrones de cierta velocidad. Si intensificamos el rayo amarillo, hay mas átomos que cogen fotones pero todos ellos emiten electrones de la misma velocidad (todos los fotones amarillos son iguales). La luz azul implica fotones mas energéticos, por lo que los electrones que saltan son mas veloces… pero se cumple todo lo que hemos explicado para la luz amarilla.
   Final sorprendente y guerra ganada por la teoría corpuscular de la luz.
 ¿Seguro?. Pues no. Hemos dicho que la energía del fotón depende de la frecuencia del haz.. pero la frecuencia es una magnitud típica de las ondas, no de las partículas. La solución real aportada por Einstein es que la luz tiene una naturaleza dual onda-corpúsculo. A veces se comporta como una onda (difracción, arco iris, bandas de interferencias) y a veces como partículas (imágenes en una pantalla, efecto fotoeléctrico).
   Es como dos caras de una misma moneda. ¿De que depende que salga cara o cruz?. De lo que el observador haga. Exactamente igual que verá usted una cara u otra de la moneda según lo que usted haga.
   ¿Contradictorio?. No, complementario. ¿O es que usted siempre se comporta igual en todas las ocasiones?