LUZ VERDE

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MIRADAS Y ENFOQUESSOBRE LA LUZ

LUZ VERDE

Capítulo 4: Historias recientes, y no tanto

Capítulo 2: Desfile de modelos: la mirada de la Física

Capítulo 3: Percepción

Capítulo 1: ¡Qué fenómeno, la luz!

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ÍNDICE

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La pregunta ¿qué es la luz? ha inquietado a la Humanidad desde que comenzó a reflexionar acerca del mundo que habita. En las más diversas culturas existen mitos y leyendas, que son un resabio dejado como sedimento de las antiguas formas de concebirla. Los primeros testimonios nos hablan de una asociación de la luz con la divinidad.

Primeros resplandores: La luz en la antigüedad

CAPÍTULO 1: ¡QUÉ FENÓMENO, LA LUZ!

Ilustración Lucía Gala

Egipcios, persas y pueblos nórdicos, judíos, cristianos, islamitas y otros grupos humanos, asociaron de una u otra forma a la luz con deidades y creaciones míticas, a las fuerzas de la naturaleza vinculadas con el bien, la verdad, la creación del universo y la comunicación entre el mundo celestial y el terrenal. Como en tantos otros casos, tenemos mucha información de la manera en que los griegos explicaban la luz. Mientras que algunos pensadores, como Heráclito de Éfeso (544 – 484 a. C.), relacionaban el origen de la materia con el fuego, en la escuela pitagórica la forma, el orden, la luz y el reposo estaban asociados al bien, y contrariamente el desorden; en cambio, el movimiento y la oscuridad se relacionaban con la maldad. Quien tuvo mayor influencia fue Aristóteles (384 - 322 a. C.), cuyas ideas influyeron durante siglos a los pensadores, quienes sólo pudieron generar conocimientos nuevos una vez que se animaron a cuestionar sus teorías.

Primeros resplandores: La luz en la antigüedad

CAPÍTULO 1: ¡QUÉ FENÓMENO, LA LUZ!

“La historia de las miradas”, del Subcomandante Marcos, leída por Eduardo Galeano.

Entre las suposiciones de Aristóteles había una que presumía la existencia de un quinto elemento, el éter, que llenaba el espacio en el universo. Esta sustancia translúcida, brillante e indetectable pareció constituirse en el medio en el que viajaba la luz, hasta que recién en el siglo XX se descartó definitivamente su existencia. La óptica, una de las más antiguas ramas de la ciencia, estudia la luz y su propagación, así como la visión, el mecanismo que permite al cerebro interpretar la información que percibe por los ojos. Empédocles (495 - 490 a.C a 435 - 430 a.C) suponía que los ojos emiten emanaciones que, al entrar en contacto con los objetos, nos permiten conocer su forma. En esta teoría, denominada “extramisión”, la luz del Sol juega un papel secundario, pues la que posibilita la visión es la “luz emanada por los ojos”. También Platón (427 - 347 a. C.) se sumó a esta teoría suponiendo que ambas luces, la de los ojos y la exterior (proveniente del Sol, el fuego, etc.), se combinan relacionando los objetos del alma y del mundo, haciendo posible la visión. Si bien se trata de concepciones muy antiguas, a lo largo del tiempo han permanecido de alguna manera en las distintas culturas, tal como puede percibirse aun hoy en expresiones populares como “sus ojos echaban fuego”, “lo fulminó con la mirada” o “¡qué faroles!”, por ejemplo. En la actualidad, en las ideas previas de muchos niños subyacen estas concepciones.

El quinto elemento

CAPÍTULO 1: ¡QUÉ FENÓMENO, LA LUZ!

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Link al texto completo de "Realidad y leyenda del mal de ojo"

Realidad y leyenda del mal de ojo.

Susana Domínguez Pena: Profesora de Filología en la Universidad de Santiago de Compostela, Chile (2007).

“El mal de ojo es un fenómeno cultural muy extendido que ha sido explicado básicamente en relación con la envidia. Según esta creencia, una persona con el mal de ojo puede causar mal a otras personas o cosas, y su influencia puede ser contrarrestada de distintas maneras." “Desde muy antiguo se han asociado algunas partes del cuerpo con poderes sobrenaturales, pero sin duda es la vista y el poder de los ojos lo que más ha atraído la imaginación humana y lo que ha dado origen a mayor número de supersticiones. Se dice que el ojo es el espejo del alma, y también la luz del cuerpo, de ahí que si el ojo es bueno, el resto del cuerpo está lleno de luz; pero cuando es malo, se queda en tinieblas.”

CAPÍTULO 1: ¡QUÉ FENÓMENO, LA LUZ!

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Link a el texto completo de “El acomodador”, cuento de Felisberto Hernández (1947)

No todo es relativo

Einstein mostró que c es una velocidad muy particular, dado que es independiente de la forma en que haya sido generada la luz y del sistema de referencia desde donde se la observe: representa un límite máximo, absoluto. Eso quiere decir que nada puede moverse a mayor velocidad que c, lo que constituye por lo menos una hipótesis muy arrojada. Lo único que puede viajar a esa velocidad es la luz, y Einstein la consideró como formada por partículas portadoras de energía, llamadas fotones: ¡otra vez se vuelve al modelo corpuscular! Y es que hay algunos fenómenos, como el efecto fotoeléctrico (que describiremos más adelante), que sólo pueden ser explicados usando esa idea. Se trata de hechos en los que la interacción entre la materia y la luz debe ser considerada a nivel microscópico. Sin embargo, la forma matemática de esta teoría acude a las ondas para describir la evolución de los fotones y su interacción con las partículas que componen la materia. De hecho, cuanto menor sea la escala a la que miramos la naturaleza, esta interpretación dual onda-partícula tienen consecuencias que -aunque contradicen nuestra intuición- coinciden con los resultados obtenidos experimentalmente. Así, según de qué fenómeno se trate, y a qué escala estemos observando, será más apropiado usar un modelo u otro. Corpúsculos, rayos, ondas, son elementos de los que nos valemos para seguir adelante en el desafío de entender el universo y sacar provecho de ese conocimiento. Sin embargo estamos muy lejos de entender qué es la luz.

CAPÍTULO 1: ¡QUÉ FENÓMENO, LA LUZ!

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Ilustración Florencia Della Védova

Una característica de la luz es que, en un gran abanico de circunstancias, cuando viaja lo hace siguiendo una trayectoria rectilínea. El concepto de rayo luminoso se fundamenta en la propagación en línea recta. Es una idea bastante intuitiva y aparece en el lenguaje cotidiano: hablamos por ejemplo de los rayos del sol o del láser. Cada rayo es entonces una representación de un haz de luz muy estrecho y se lo dibuja como una flecha, indicando el camino que sigue la luz. Según este modelo, los objetos visibles emiten o reflejan rayos de luz en todas direcciones. Aquellos que inciden sobre nuestros ojos son los responsables de que los veamos. Este modelo resulta adecuado para la interpretación sencilla de aquellos fenómenos en los cuales la luz puede ser considerada como un conjunto de rayos que viaja por distintos medios, a distintas velocidades y que sufre cambios como reflexión, refracción, dispersión y atenuación. Este conjunto de efectos y fenómenos se agrupan bajo el nombre de óptica geométrica debido a que la geometría es la herramienta teórica que permite realizar la representación correspondiente.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

¡Rayos!

Podemos ver el destello de la luz del sol sobre la superficie de un charco de agua. Podemos ver las luces de los autos en el espejo retrovisor. Podemos ver nuestra propia imagen en el vidrio de los negocios, al mirar vidrieras. Todos estos son ejemplos de un fenómeno conocido como reflexión de la luz, que se produce siempre que la luz llega a una superficie que separa dos medios. Pero también podemos ver los objetos detrás de las vidrieras y el tapón de la bañera aún cuando está llena de agua. Cuando la luz llega al límite entre dos superficies, en principio ocurren dos cosas: una parte de la luz se refleja y otra parte se transmite. En esta Sección nos ocuparemos de la primera. Al iluminar superficies bien pulidas, como los espejos, la mayor parte de la luz será reflejada en una sola dirección. Esta reflexión se llama especular o simplemente reflexión. En cambio, los objetos de superficie irregular -por ejemplo, una manzana reflejan la luz en todas las direcciones, y es por eso que los podemos ver desde distintos ángulos. Este fenómeno se llama reflexión difusa o difusión de la luz. Por eso mismo, seremos capaces de ver la trayectoria de la luz si en su recorrido existen partículas pequeñas que la difundan. Por ejemplo, no vemos a simple vista el haz proveniente de una linterna, pero si hay polvillo o tierra en suspensión, sí tendremos la oportunidad de apreciarlo.

Idas y vueltas de la luz: Reflexión

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Descargar: Experiencia de reflexión con láser

¿Qué hay del otro lado del espejo? ¿Esa persona que me mira es igual a mí? ¿Dónde está? Como ya mencionamos, una superficie capaz de reflejar prácticamente toda la luz que llega funciona como lo que llamamos espejo. Los hay planos o curvos: esféricos, parabólicos, cilíndricos, entre otros. A su vez los curvos pueden ser cóncavos o convexos, según qué cara esté pulida.Los espejos planos forman la imagen del otro lado, y por eso la llamamos virtual. Además, mantienen la simetría de aquello que reflejan, aunque lo invierten de derecha a izquierda. La imagen no aparece invertida, tiene las mismas dimensiones y forma que el objeto. Pero con los espejos curvos se pueden formar imágenes con características muy diferentes al objeto que se pone enfrente. Según la curvatura y la distancia a la que se encuentra, el espejo puede formar imágenes invertidas, de mayor o menor tamaño y hasta deformadas. Sólo basta mirarse en ambos lados y a diferentes distancias de una cuchara sopera para observar la diversidad. También, aunque es más difícil, con espejos curvos se pueden lograr imágenes reales, es decir, que están del mismo lado que aquello que se está reflejando.

Espejito, espejito

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Al espejo. Fragmento del poema de Jorge Luis Borges (1974)

¿Por qué persistes, incesante espejo? ¿Por qué duplicas, misterioso hermano, el menor movimiento de mi mano?

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Descargar experiencia: Construcción de un caleidoscopio

Descargar experiencia: Periscopio

Espejito, espejito

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El lobizón. Fragmento de un cuento de Manuel Mujica Láinez (1976).

Don Pedro ha quedado atónito también. Le parece que esa visión es trampa de la temperatura y de la sed que le quema la garganta. ¿No será un espejismo como los que acosan a las caravanas en los arenales? Jamás ha visto mujer tan bella.”

Algunas culturas, como por ejemplo los onas y tehuelches del sur de Argentina, tenían a la pesca con lanza como uno de sus medios de vida. La pesca con lanza se realiza en aguas cristalinas: el pescador con los pies sumergidos en el agua espera hasta identificar a su presa, y luego arroja la lanza traspasando al pez. Este sencillo procedimiento tiene una dificultad especial relacionada con la luz: el lugar donde vemos el pez no es en realidad el lugar donde está. ¿Qué ocurre? La luz que refleja el pez viaja por el agua y al llegar a la superficie pasa al aire, por donde viaja hasta llegar a nuestros ojos. Pero en el pasaje de un medio al otro, la luz cambia de dirección y por eso la percibimos como proveniente de otrolugar: para nuestro cerebro el pez está un poco más lejos del sitio que ocupa en realidad.

Luz que se transmite: Refracción

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Es el mismo fenómeno que hace que un lápiz “se quiebre” cuando lo sumergimos en un vaso con agua. Cuando la luz se transmite a través de la superficie de separación de dos medios materiales transparentes se lo denomina refracción. Cuando esto sucede, el rayo refractado tiene una dirección diferente al rayo incidente debido a que la luz tiene velocidades diferentes según los medios materiales que atraviesa. Con medio material nos referimos a aire, gases, tierra, metales, madera, agua y otros líquidos… y todo aquello que esté formado por átomos y moléculas. La velocidad con que la luz viaja en el vacío es c =299.792.458 metros/segundo, pero en cualquier otro medio es menor. Cada material puede ser caracterizado por lo que llamamos índice de refracción, que se define como el cociente entre la velocidad de la luz en el vacío y la que tiene en el material: n=c\v. Como ya mencionamos, la reflexión y la refracción son fenómenos que en general encontramos juntos, porque la luz al llegar a una superficie que separa dos materiales se refleja y se refracta. Pero en algunas condiciones, los medios transparentes reflejan totalmente la luz como si fueran espejos, sin que ocurra también la refracción. Si tomamos un vaso translúcido con agua y lo observamos desde abajo y en cierto ángulo, es posible notar que la superficie interior de agua refleja especularmente las imágenes. Este fenómeno se llama reflexión interna total y se puede dar cuando la luz se encuentra con una superficie de otro material de índice de refracción mayor, por ejemplo, desde el agua del vaso al aire. Es lo que ocurre dentro de las fibras ópticas, que transmiten información mediante la propagación de luz con una mínima pérdida de energía.

Luz que se transmite: Refracción

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Descargar: Experienciasde refracción

"El lobizón”, cuento de Manuel Mujica Láinez (1976)

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Ilustración Ramiro Rangil

Se llama así a todo medio transparente (por lo general, vidrio) limitado por dos caras, de las cuales al menos una es curva. Su forma puede recordar una lenteja, y de esta similitud, precisamente, proviene su nombre, originariamente en latín.

Descargar experiencia: Construcción de un lupa de agua

Lentes

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Para la óptica, las lentes se clasifican en convergentes y divergentes según la forma de su curvatura. Cuando más curvas sean sus caras, mayor será la deformación de las imágenes que generan de los objetos que miremos a través de ellas. Una lente es convergente si en el centro es más gruesa que en los bordes, y su efecto es aumentar el tamaño de la imagen. Las lentes convergentes se usan por ejemplo en lupas, microscopios, anteojos para hipermétropes, etc. Se las llama también positivas, y se clasifican según su distancia focal, es decir, la distancia desde el centro de la lente al punto a donde convergen los rayos que llegan desde muy lejos. En algunos casos, invierten la imagen (la ponen “patas arriba”). Una lupa es una lente convergente que genera una imagen aumentada de los objetos cuando se los mira a través. En el imaginario popular, son los elementos característicos de detectives y biólogos. La lente divergente en cambio es más gruesa en los bordes que en el centro, y tiende a disminuir el tamaño de la imagen. Se las llama lentes negativas, y también se clasifican según su distancia focal. En este caso también la distancia al foco depende de la calidad del vidrio y de la curvatura de la lente. Se usan entre otras cosas para corregir la miopía.

Positivas y negativas

Ilustración Mariela Theiller

Según estimaciones del año 2009 de la Organización Mundial de la Salud (OMS), aproximadamente 314 millones de personas presentan discapacidad visual en el mundo, debido a enfermedades oculares o a errores de refracción no corregidos. En América Latina y el Caribe, alrededor de dos tercios de la discapacidad visual tiene su origen en afecciones tratables, de los cuales los defectos de refracción representan una parte importante. La OMS y la Organización Panamericana de la Salud (OPS) estiman que en latinoamérica el 13% de la población en edad escolar tiene errores refractivos, que cuando no son corregidos pueden causar disminución de la agudeza visual, y constituyen la causa más común de deficiencias visuales. En el Informe de Salud Visual y Ocular elaborado por la Red Epidemiológica Iberoamericana para la Salud Visual y Ocular (REISVO) (Bruis, 2015) entre 2009 y 2010, podemos encontrar información de Argentina, obtenida de ciudadanos atendidos por el Programa de extensión “Salud Visual paraTodos”, en la Facultad de Ciencias Exactas de la Universidad Nacional de La Plata (UNLP).

Defectos refractivos en Argentina

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Silvina Ocampo (2006)

Así, respecto de la presencia de defectos refractivos, encontramos que el más frecuente es el astigmatismo (alrededor del 60%), luego la hipermetropía (alrededor del 18%) y en último lugar la miopía (entre el 2 y 3 %). La presbicia, que es un defecto relacionado con la pérdida de flexibilidad del cristalino debida a la edad y que dificulta la visión nítida de objetos cercanos, se presentó en el 40% de los atendidos. Aunque la salud visual es un tema presente en la agenda sanitaria en algunos países, actualmente no se cuenta con un sistema de información que permita identificar la situación en Iberoamérica para poder planificar los servicios de atención en optometría y oftalmología. Curiosamente, la distribución de los defectos refractivos en el mundo presenta diferencias. Por ejemplo, en China la miopía nuclea el 20% de los defectos refractivos. Diversos estudios mostraron que las características étnicas tienen mucha influencia en el tipo de error refractivo que padece la población. Por lo tanto, es necesario realizar estudios epidemiológicos a nivel local para poder diseñar adecuadamente las políticas en salud visual. En nuestro país, en 2006 se implementó un Plan Nacional de Salud Ocular y Prevención de la Ceguera, orientado a la prevención de problemas oculares y a garantizar un mejor acceso de los argentinos a la atención oftalmológica.

Defectos refractivos en Argentina

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Ilustración de Agustín Grenno

Positivas y negativas

Por 1660, Isaac Newton, conocido sobre todo por su trabajo sobre la atracción gravitatoria, concebía la Tierra como una suma de partículas diminutas. Esta idea no era nueva sino que se debía a los filósofos griegos Demócrito y Platón, quienes proponían una descripción del universo formada a partir de distintas partículas materiales, pequeñas e indivisibles, llamadas átomos. En el caso de la luz, Platón imaginaba que las partículas al viajar a diferentes velocidades formaban los colores. Como la representación de una Tierra conformada por un conglomerado de partículas funcionaba bien para describir la gravedad, Newton retomó la suposición sobre la luz imaginando que estaba también formada por pequeños corpúsculos que eran proyectados a altísimas velocidades por los objetos luminosos, y que el ojo percibía cuando impactaban sobre él. Más aún, atribuía la percepción de los distintos colores como el impacto de partículas con diferentes tamaños. Con estas suposiciones podía explicar fenómenos como la reflexión y la refracción. Si bien el modelo corpuscular se abandonó posteriormente (aunque se enseñó óptica con este modelo en Cambridge hasta 1845), a comienzos del siglo XX se volvió a recurrir a él -considerando ahora partículas llamadas fotones- para explicar el efecto fotoeléctrico, entre otros fenómenos. Actualmente, se acepta que la luz tiene una naturaleza dual: a veces se describe mejor pensándola como si estuviera formada por partículas y otras, como si fuera una onda.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Contribución de Damián Gulich

Ilustración Roberto Escobar

El merengue del fotón

Como hemos visto más arriba, la historia del estudio de la luz tiene muchas idas y vueltas hasta llegar a la visión moderna: de las partículas materiales clásicas de Newton a las ondas de Young y Maxwell y de vuelta a “partículas” (pero ahora en el sentido cuántico) con Planck, Compton y Einstein. La cuantificación de la radiación electromagnética viene de un artículo de Einstein de 905. Allí se aprovecha la idea de cuantificar la luz y aún se discute sobre el tema. Cada especialización en ciencias entiende algo distinto por el mismo nombre: fotón. Sin embargo, Einstein no se refirió a ello con ese nombre, sino como cuanto de luz (Lichtquant, en alemán). El término fotón fue introducido en 1926 en una carta a la revista inglesa Nature por Gilbert N. Lewis, teniendo en mente el proceso de interacción de la radiación con la materia. Aquí el contexto es químico, y se lo entiende como energía que está en un átomo y que después sólo existe )por un corto tiempo. El trabajo de Lewis “La conservación de los fotones” hacía hincapié en aspectos que ciertamente no eran los cumplidos por los cuantos de luz de Einstein. Sin embargo, y para el descontento de Lewis, el nombre prendió indiscriminadamente para todo lo que implique luz.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Roy J. Glauber fue Premio Nobel de 2005 “por su contribución a la teoría cuántica de la coherencia óptica”, trabajo que publicó en 1963 y en el que integró la óptica a la teoría cuántica. Él explicó así las diferencias fundamentales entre fuentes de luz térmicas (bombillas incandescentes, por ejemplo) y las coherentes (láser). El precio que hay que pagar es que la solución de cada problema es totalmente diferente y, en general, es bastante compleja hasta para un caso de luz que se refleja y refracta en una superficie. Aún más: el tratamiento debe tener muy en cuenta qué tanto del universo se considera en el problema; cuál es el tratamiento formal más adecuado; cómo se modelan las fuentes de luz y cómo ellas manejan el sistema; y cómo los detectores de luz se acoplan al mismo. El tema de los detectores no es para nada trivial, pues el cuanto de luz es medido en el cambio de comportamiento del sistema detector, es decir, al interactuar con la materia.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

“Una vez, cuando volví del MIT (había estado allí algunos años) [mi padre] me dijo: “estás bastante educado en estos asuntos; tengo una pregunta que siempre tuve y que nunca entendí muy bien, y que me gustaría hacerte ahora que has estudiado estas cosas”. Le pregunté de qué se trataba y me dijo que entendía que cuando un átomo hace una transición de un estado a otro [más bajo] emite una partícula de luz llamada fotón. “Eso es correcto” le dije. Luego él dijo “bueno, ¿el fotón está en el átomo antes del momento de salir? ¿o no hay ningún fotón para empezar?”. Mi respuesta fue que no hay ningún fotón al empezar la transición. [Él preguntó] “¿y de dónde viene? ¿cómo sale?”. Y le dije (¡por supuesto que no podía contestarle!) que la interpretación es que el número de los fotones no se conservaba y que se creaban por el movimiento de los electrones. No podía tratar de explicárselo; el sonido que estoy haciendo en este momento no estaba en mí, como cuando mi hijo era chico y estaba hablando; de repente dijo, ya no podía decir cierta palabra (la palabra era “gato”) porque su bolsa de las palabras ya no tenía más de la palabra “gato” adentro. No hay bolsa de palabras que uno tenga adentro y que uno vaya gastando a medida que las va sacando; uno las va haciendo mientras las usa. En el mismo sentido, no había una “bolsa de fotones” en el átomo, y cuando los fotones salían no lo hacían de algún lado; pero no lo podía explicar mejor que eso. Él [mi padre] no estuvo satisfecho conmigo en ese tema, y nunca pude explicarle muchas de las cosas que él no entendía [risas]. ¡Sin éxito él me había enviado a todas estas universidades para poder averiguar todas estas cosas que nunca pudo averiguar!” Horizon – BBC (1981).

Richard Feynman (1918-1988) fue un reconocido físico estadounidense. Ganó el Premio Nobel de Física en 1965 por su trabajo sobre electrodinámica cuántica. En su juventud trabajó en el proyecto Manhattan sobre la bomba atómica. Cuenta una anécdota relevante respecto de la existencia misma del fotón. Su padre era vendedor de uniformes militares y se las arreglaba para estar informado sobre ciencias.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Muchos de los fenómenos relacionados con la luz pueden entenderse si se la considera una onda. La luz cumple con algunas de las características más simples del movimiento ondulatorio: se propaga a una velocidad particular (distinta en el espacio vacío que en un vidrio), se refleja al encontrar obstáculos (por ejemplo, los espejos), y su intensidad se puede sumar (prendiendo dos lámparas). Hay otras propiedades que no son tan evidentes: ¿puede la luz rodear objetos como las olas en una laguna pueden rodear un poste? ¿puede la luz sumarse para dar oscuridad? ¿cómo explicamos los distintos colores? Con el modelo ondulatorio podemos construir una explicación apropiada para el caso del fenómeno de interferencia, en que se superponen las ondas originadas por dos fuentes emisoras iguales. En el caso de la luz, las ondas provenientes de dos fuentes pueden dar como resultado una sucesión de imágenes de luz y sombra alternadas. El otro fenómeno que necesita de las ondas para ser entendido es la difracción: puede verse en el caso de la luz como una sombra difusa que se produce en el borde de una ranura iluminada. Un tercer fenómeno es la polarización, que ocurre sólo en ondas transversales, y que tiene manifestaciones tanto en la naturaleza como en la tecnología. Para describir la luz y su comportamiento con el modelo ondulatorio es necesario explicitar con cierto detalle qué entendemos por onda. Vamos a llamar onda a una perturbación que se propaga por sí misma en el espacio a medida que transcurre el tiempo, alejándose de la fuente que la emitió con una cierta velocidad, y transportando energía pero no materia.

¿Qué onda?

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Muchos de los fenómenos relacionados con la luz pueden entenderse si se la considera una onda. La luz cumple con algunas de las características más simples del movimiento ondulatorio: se propaga a una velocidad particular (distinta en el espacio vacío que en un vidrio), se refleja al encontrar obstáculos (por ejemplo, los espejos), y su intensidad se puede sumar (prendiendo dos lámparas). Hay otras propiedades que no son tan evidentes: ¿puede la luz rodear objetos como las olas en una laguna pueden rodear un poste? ¿puede la luz sumarse para dar oscuridad? ¿cómo explicamos los distintos colores? Con el modelo ondulatorio podemos construir una explicación apropiada para el caso del fenómeno de interferencia, en que se superponen las ondas originadas por dos fuentes emisoras iguales. En el caso de la luz, las ondas provenientes de dos fuentes pueden dar como resultado una sucesión de imágenes de luz y sombra alternadas. El otro fenómeno que necesita de las ondas para ser entendido es la difracción: puede verse en el caso de la luz como una sombra difusa que se produce en el borde de una ranura iluminada. Un tercer fenómeno es la polarización, que ocurre sólo en ondas transversales, y que tiene manifestaciones tanto en la naturaleza como en la tecnología. Para describir la luz y su comportamiento con el modelo ondulatorio es necesario explicitar con cierto detalle qué entendemos por onda. Vamos a llamar onda a una perturbación que se propaga por sí misma en el espacio a medida que transcurre el tiempo, alejándose de la fuente que la emitió con una cierta velocidad, y transportando energía pero no materia.

¿Qué onda?

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Para que sea posible la existencia de ondas, en general, es necesario que ocurra una perturbación que la genere: una chispa, un golpe en una campana, un terremoto. En muchos casos -aunque no siempre, como veremos- es preciso también un medio que propague la perturbación: el agua, un resorte, el parche de un tambor, una cuerda. Pero volviendo al ejemplo del agua: las olas que se forman en un charco, cuando movemos rítmicamente un pie, no son todas iguales. Podemos hacer que las olas se sucedan unas a otras rápidamente. O podemos dejar pasar más tiempo entre una y la siguiente. Y, si hacemos olas tirando una piedra, dependiendo de la piedra que tiremos, algunas olas serán más bajitas que las otras. Para hablar con precisión y poder distinguir unas olas de otras, necesitamos especificar dos magnitudes. Una de ellas, se refiere a la distancia entre la parte más alta de una ola y la siguiente, y se la llama “longitud de la onda”, que además está relacionada con la “frecuencia”, que es la cantidad de olas que pasan por segundo por un determinado lugar. La longitud de onda -y su asociada frecuencia- son propias de cada onda. Otra magnitud que necesitamos para caracterizar las ondas es la “altura de la ola”, que llamamos amplitud o intensidad. Así, la amplitud de la onda acompañada por la longitud de la onda (o la frecuencia) son dos propiedades que todas las ondas tienen y que nos dan toda la información que necesitamos para poder distinguirlas y representarlas, por ejemplo, con un dibujo.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Existen muchos ejemplos de ondas: de sonido, en un resorte, de radio, microondas, etc. Una manera de clasificarlas se basa en las condiciones en que se propagan: si necesitan la presencia de un medio material para generarse y propagarse se las llama ondas mecánicas, mientras que si esto no es necesario, se las llama ondas electromagnéticas. Las ondas de sonido, las sísmicas, y las olas en el agua, son algunos ejemplos de ondas mecánicas. Las ondas electromagnéticas, como la luz, las ondas de radio, la radiación ultravioleta, X y gamma, pueden propagarse por algunos medios materiales (por ejemplo la luz viajando por el vidrio o el agua) pero pueden hacerlo también en el espacio vacío: por ejemplo la luz de las estrellas llega hasta nosotros a través del espacio interestelar -vacío- y luego viaja por la atmósfera terrestre hasta la superficie de nuestro planeta.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Para presentar algunas de las propiedades más importantes de las ondas podemos pensar concretamente en una onda que se forma al perturbar un resorte largo. Así, con el resorte estirado sobre una superficie (mesa, piso), podemos tomar un extremo y moverlo una vez hacia la derecha e izquierda rápidamente para generar un pulso y observar su propagación. Si las dimensiones del resorte lo permiten, es posible estimar la magnitud de la velocidad media a la que viaja el pulso (como la distancia entre los puntos de sujeción del resorte dividido el tiempo que tarda el pulso en llegar de uno al otro), notando que es finita. La dirección de la propagación será la que marca el resorte estirado. Si cambiamos la tensión, estirando o aflojando más el resorte, percibiremos un cambio en la magnitud de la velocidad. Si el resorte es suficientemente largo podremos también observar la atenuación en la amplitud de la onda -o pulso- a medida que se propaga. Para visualizar el concepto de amplitud de la onda, podemos generar ondas y estimar la distancia entre un valle y un pico (o cresta).

Ondas en un resorte

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Descargar: Experiencia de ondas con resorte.

Si repetimos la observación pero con una perturbación mayor, por ejemplo, moviéndolo el doble de distancia hacia la derecha e izquierda, veremos que la amplitud cambia.Es decir, la diferencia entre los picos y los valles está entonces relacionada a la intensidad de la perturbación. Si el resorte es suficientemente largo veremos la atenuación en la amplitud de la onda a medida que se propaga. Al igual que antes, con el resorte tensado sobre una superficie (mesa, piso), si aumentamos el ritmo de la perturbación veremos que cambia la distancia entre pico y pico en el resorte, es decir, la frecuencia de la onda (o su longitud de onda). Algunas otras sugerencias para ensayar con resortes pueden encontrarse en el material digital.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Descargar material complementario Ondas electromagnéticas

En el caso de la luz, para su descripción no usamos las ondas mecánicas, como las olas o el sonido, aunque como vimos comparte con ellas algunas propiedades. Se usa, en cambio, otro tipo de ondas que tiene un origen muy diferente: ondas electromagnéticas. Para entender el porqué, debemos recurrir a la historia. Después de estudiar la electricidad y el magnetismo, los físicos de mediados de 1800 descubrieron que ambos temas estaban muy relacionados. Es más, mostraron que podían considerarse como dos as ectos del mismo fenómeno, y llamaron “electromagnetismo” a la teoría que lo describe. El que hizo un aporte notable fue el inglés James Clark Maxwell, quien resumió en ecuaciones matemáticas lo aprendido hasta el momento. A partir de ellas, conjeturó que los fenómenos electromagnéticos generaban ondas que se movían con la misma velocidad que la luz. Y varios años más tarde verificaron experimentalmente que, en efecto, la luz era producida por cargas eléctricas aceleradas y que, por lo tanto, podía representarse (es decir, modelizarse) como una onda electromagnética que viaja por el espacio.

Ondas electromagnéticas

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Cuando acercamos un imán a un trozo de hierro vemos que lo atrae sin necesidad de contacto entre ellos. Como si el espacio que rodea al imántuviera cualidades especiales, que describimos proponiendo la idea de campo magnético. De la misma manera, cuando frotamos un objeto de plástico para atraer papelitos podemos asociar al espacio que rodea al plástico una magnitud que describe esa fuerza eléctrica actuando a distancia, y que llamamos campo eléctrico. Imaginemos que en una región del espacio existen dos campos, el eléctrico y el magnético, y que ambos oscilan. Es decir, que no mantienen un valor constante, sino que su intensidad (que asociamos a fuerzas eléctrica y magnética) cambia a medida que pasa el tiempo. Imaginemos también que en la dirección de cada campo hay una flecha que señala la dirección de la fuerza (eléctrica o magnética), y que la flecha es más larga cuando el campo es más intenso. Si representamos con una soga la posición de la punta de las flechas, a lo largo del tiempo éstas describirán una forma de sinusoide como en la última imagen.

Ondas elecromagnéticas

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Esquema de una onda electromagnética

Es todo un ejercicio de imaginación, porque no podemos verlos, como no podemos ver los campos cerca del imán y del plástico. Pero estos modelos nos ayudan a pensar en el fenómeno.La generación de estas ondas proviene siempre de cargas eléctricas aceleradas: electrones vibrando. Esto ocurre con los electrones en una antena emisora, en la llama de una vela, en una estrella. Entonces, esos campos eléctricos y magnéticos oscilantes que viajan por el espacio (el aire, el vacío o un medio como el agua), constituyen una onda electromagnética.

Se ha detectado experimentalmente que el campo eléctrico oscila de tal manera que las flechas que lo representan forman siempre 90º con las que representan al campo magnético. Es decir, las ondas electromagnéticas son transversales. Si graficamos la evolución de estas ondas, se dispondrían en dos planos perpendiculares. Supongamos ahora que estos campos oscilantes viajan a través del espacio. Lo harán siempre en la dirección de la línea que forman los planos perpendiculares cuando se cortan entre sí. Es decir, las ondas electromagnéticas se moverán como ondas transversales.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

La frecuencia con que los campos oscilen le va a dar características muy distintas a la onda. Llamamos espectro electromagnético al conjunto de todas las frecuencias posibles (todos los miembros de esta familia), y veremos que incluye muchas de las ondas conocidas. Los sentidos de los seres vivos no detectan todas y cada una de las radiaciones. Las personas solo vemos una parte del espectro: la luz visible. Hay animales que ven otras radiaciones: las abejas detectan el ultravioleta, y las gallinas el infrarrojo. Ordenadas de mayor a menor longitud de onda, el espectro de radiación electromagnética se agrupa en:

• Microondas: penetran con facilidad en la atmósfera y se las utiliza en comunicaciones por satélites. El horno microondas se basa en que las moléculas de agua contenidas en los alimentos vibran con gran energía cuando inciden microondas sobre ellas. La fricción que se genera entre las moléculas produce la energía que aumenta la temperatura de los alimentos. Los radares también emiten ondas electromagnéticas del orden de las microondas. La longitud de estas ondas tiene un promedio de 10-2 de metros.

• Ondas de radio: son las de menor frecuencia y mayor longitud de onda: En las emisoras radiales se generan ondas que se detectan con un aparato de radio. Las ondas de radio y de televisión llevan información de los distintos programas de modo codificado, en un proceso llamado modulación. Para ello, se superpone la información propia del mensaje que se emite con una onda procedente de la antena emisora. El resultado es una onda en amplitud o frecuencia modulada. Cuando la señal emitida encuentra una antena receptora adecuada, se produce una corriente eléctrica y la señal se decodifica para pasar a un parlante o un aparato de televisión. La longitud de estas ondas ronda la decena de metros.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

• Radiación visible: lo que llamamos luz es, en realidad, una pequeña porción del espectro electromagnético. Cada frecuencia de la radiación visible corresponde a un color diferente: la de mayor frecuencia y menor longitud de onda es la violeta y la de menor frecuencia y mayor longitud de onda es la roja. La longitud de onda del visible está entre 10-6 y 10-7 de metros.

• Radiación infrarroja: las ondas infrarrojas lejanas (próximas en frecuencia a las microondas) producen una sensación de calor, por ejemplo, el que sentimos provenir del sol, un fuego, o un radiador. Las ondas del infrarrojo cercano (próximas en frecuencia a la luz visible) no producen calor perceptible. Son las que utilizan los controles remotos de TV. La longitud de estas ondas tiene un promedio de 10-5 de metros.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Friedrich Herschel

Johan Ritter

• Radiación ultravioleta: El Sol y las estrellas emiten radiación ultravioleta, y la atmósfera de la Tierra filtra una buena parte de la más energética. La longitud de estas ondas tiene un promedio de 10-8 de metros. La radiación infrarroja y la ultravioleta se encuentran, respectivamente, en los extremos del rango de las ondas electromagnéticas que podemos percibir con el sentido de la visión. Aunque de alguna manera nuestro cuerpo las detecta: mediante la sensación de calor o con el cambio en el color de la piel al exponernos al sol. En 1800, el astrónomo alemán Friedrich Herschel registró con un termómetro especialmente sensible el aumento de temperatura que se produce al iluminar un objeto con radiación del rango visible, y encontró que más allá del rojo, existía una radiación que no podía ver pero su termómetro detectaba: la radiación infrarroja. En el material digital se puede ver una imagen que representa las diferentes temperaturas de un ser vivo. En el caso de la radiación ultravioleta, fue detectada en 1801 por el físico alemán Johan Ritter al encontrar que las ondas “más allá del violeta” podían oscurecer un papel impregnado en sales de plata (como el utilizado en fotografía en blanco y negro), al igual que lo hace la luz visible, e incluso más intensamente.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

• Rayos Gamma: son muy penetrantes, y atraviesan la materia con gran facilidad. Solo pueden detenerse con blindajes de varios centímetros de plomo o varios metros de hormigón. Se emiten en reacciones nucleares como las producidas en materiales radioactivos, bombas nucleares y estrellas. Se utilizan en medicina para destruir células cancerosas. La longitud de la radiación gamma tiene un promedio de 10-12 de metros.

• Rayos X: en forma natural son emitidos por las estrellas, pero no atraviesan la atmósfera. Es por ello que los estudios de estas radiaciones naturales deben hacerse desde el exterior del planeta. En la Tierra se producen por medio de generadores de alta tensión (por ejemplo, acelerando electrones en tubos a baja presión y luego haciéndolos frenar). Se usan para obtener imágenes de la estructura interna de la materia sin destruirla. En medicina se utilizan para observar huesos y órganos del interior del cuerpo, en lo que conocemos como radiografías y tomografías. Sin embargo, los RX, al igual que los Gamma, que veremos a continuación, tienen efectos indeseados sobre los tejidos vivos. En la industria se usan para detectar fisuras y defectos en soldaduras y fundiciones. La longitud de onda de los RX tiene un promedio de 10-10 de metros.

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El mundo Relato de Eduardo Galeano (1993a)

Eduardo Germán María Hughes Galeano: escritor y periodista uruguayo (1940-2015).

Un hombre del pueblo de Neguá, en la costa de Colombia, pudo subir al alto cielo. A la vuelta, contó. Dijo que había contemplado, desde allá arriba, la vida humana. Y dijo que somos un mar de fueguitos. -El mundo es eso - reveló - Un montón de gente, un mar de fueguitos. Cada persona brilla con luz propia entre todas las demás. No hay dos fuegos iguales. Hay fuegos grandes y fuegos chicos y fuegos de todos los colores. Hay gente de fuego sereno, que ni se entera del viento, y gente de fuego loco que llena el aire de chispas. Algunos fuegos, fuegos bobos, no alumbran ni queman; pero otros arden la vida con tantas ganas que no se puede mirarlos sin parpadear, y quien se acerca, se enciende.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Detrás del vidrio. Fragmento de canción de Vox Dei (1972)

Las horas se suceden una tras otra, y yo aquí, detrás del vidrio camino y me doy vueltas, me río y creo ser feliz.… Dos inviernos más ya han pasado y el vidrio aún está empañado. Quiero ver qué hay detrás, es preciso intentar, y entrar, y penetrar en la realidad, estar en el umbral no es estar en vida, no, no.

Así como el agua y el acrílico dejan pasar la luz en línea recta, hay otros materiales que no pueden ser atravesados por ella. Los llamamos transparentes y opacos, respectivamente. El modelo de ondas, y lo que vimos sobre la interacción de la luz con la materia (el apartado sobre efecto fotoeléctrico, por ejemplo) puede ayudarnos a imaginar los mecanismos responsables de estas diferencias. Este concepto de transparencia, que tenemos más intuitivamente para la luz, se extiende a las otras ondas electromagnéticas: distintos materiales resultan opacos o transparentes dependiendo de la longitud de la onda que incide sobre ellos. Por ejemplo, la piel y los músculos no son transparentes si hacemos incidir sobre ellos ondas electromagnéticas en el rango de la luz visible, pero sí lo son respecto de ondas electromagnéticas del tipo RX y gamma. La atmósfera terrestre es transparente a la luz y a una parte del infrarrojo, pero resulta opaca a casi todo el intervalo del ultravioleta. La pequeña parte de esta radiación UV para la cual resulta transparente es la responsable de las quemaduras de sol. Los vidrios, en cambio, son opacos a toda la radiación UV, por lo cual no es posiblebroncearse detrás de ellos.

Transparencias

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Vox Dei: Banda argentina de rock formada en 1976, pionera en cantar en castellano. Realizaron un álbum conceptual sobre la Biblia, que generó polémica y hoy se considera una obra de arte muy respetada. En la canción, el vidrio podría simbolizar la incapacidad que tiene el “yo lírico” (la voz del poeta) de sentir plenamente la vida por causa de algún suceso innominado que sucedió hace dos años (“dos inviernos”). El vidrio aún está empañado y el poeta no puede ver plenamente, es decir, lo que sintió todavía está presente. Dejar de estar detrás del vidrio representa “entrar y penetrar la realidad”.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Para hacernos una representación de lo que está ocurriendo entre la onda electromagnética y el material sobre el que incide, resulta útil imaginar la materia como formada por partículas que pueden vibrar en cierto rango de frecuencias. Este rango, a su vez, depende de los elementos químicos particulares que forman la sustancia que estamos considerando (metal, madera, diamante, etc.) y depende también de la manera en que se encuentran ligado entre sí los átomos y moléculas. Así, cada material tiene sus frecuencias “naturales”. Por ejemplo, el grafito y el diamante están compuestos por el mismo elemento químico: el carbono. Sin embargo, la forma en que los átomos de carbono se ligan unos a otros es distinta en cada caso y, por ende, también resulta diferente la transparencia que presentan ante la luz visible.

Ilustración de Agustín Bucari

Como ya mencionamos, las ondas electromagnéticas son generadas por electrones vibrando. Estas ondas transportan energía, que puede interactuar nuevamente con los electrones de la materia sobre la que incide. Cuando la luz tiene una frecuencia que está comprendida en el rango de frecuencias naturales del material, entonces los electrones (y los átomos de los cuales forman parte) empiezan a vibrar muy intensamente, pues se produce el fenómeno conocido como resonancia. Los átomos quedan resonando durante un tiempo considerable, durante el cual van cediendo la energía a otros átomos con los que van interactuando hasta que la energía se dispersa uniformemente por el material (que se calienta en este proceso). En este caso, el material es opaco a la luz. En cambio, si la frecuencia de la luz incidente no está comprendida en el rango de las naturales del material, sino que es algo menor o mayor (como ya mencionamos el vidrio resulta transparente a todas las longitudes del visible, pero no al ultravioleta ni al infrarrojo), las vibraciones de los átomos son menos intensas y duran poco tiempo: el átomo vuelve a emitir un tiempo más tarde la energía que recibió en forma de luz idéntica a la incidente. La luz vuelve a emerger del material, y decimos que es transparente a la luz.A raíz de este proceso de absorción y emisión, la velocidad de la luz en un medio transparente es menor que en el vacío (en el vidrio es alrededor del 70% y en el diamante, aproximadamente 40% de c).

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

En esta poesía, la autora propone la idea de que las palabras habladas rompen el encanto de la comunicación que se entabla entre dos enamorados. Las pupilas son comparadas con diamantes: a través de los ojos es posible ver el sentir del otro, ellos reflejan el amor mejor que las palabras. Así, las palabras son lenguas de ceniza mientras que las miradas son lenguas de diamantes.

“Las lenguas de diamante”poema de Juana de Ibarbourou (1918).

Yo no quiero que hable. Yo no quiero que hable. Sobre el silencio éste, ¡qué ofensa la palabra! ¡Oh lengua de ceniza! Oh ¡lengua miserable. No intentes que ahora el sello de mis labios te abra! Bajo la luna-cobre, taciturnos amantes, con los ojos gimamos, con los ojos hablemos. Serán nuestras pupilas dos lenguas de diamantes Movidas por la magia de diálogos supremos.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Descargar experiencia: Difracción e interferencia.

Como comentamos brevemente en el capítulo 1, a principios de 1800 la teoría ondulatoria estaba en pleno auge de la mano de Thomas Young, un médico británico quien se abocó al estudio de la luz motivado por entender el funcionamiento del ojo humano. Young, quien fue luego profesor de física, formuló el principio de interferencia y diseñó uno de los más famosos experimentos para verificar sus conclusiones sobre este principio: el experimento de la doble rendija. Según este principio, cuando dos ondas de la misma frecuencia coinciden perfectamente (o casi), el resultado es una superposición de ambas: si coinciden pico con pico y valle con valle, el resultado es una perturbación más intensa y la interferencia es constructiva. Si por el contrario el pico de una no coincide con el valle de la otra, el resultado es la anulación: la interferencia es destructiva.

Sumas y restas: Luz que interfiere

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

La interferencia se produce entonces cuando se superponen las ondas provenientes de dos fuentes luminosas y como resultado se perciben imágenes de luz y sombra alternadas (según cómo sea el desfasaje o corrimiento entre los campos electromagnéticos provenientes de cada fuente, como enuncia el Principio de Interferencia). La rápida variación de la emisión de luz hace que este fenómeno no pueda ser observado en luces comunes y corrientes, salvo en el caso en que ambas luces sean coherentes, es decir, que el desfasaje (corrimiento) entre los campos de ambas se mantenga constante. De otro modo, su cambio es tan rápido que no es posible observarlo. En experimentos de interferencias conviene usar luz de láser, que es emitida en forma coherente y su haz no se dispersa como en otras fuentes de luz. Si a la luz láser se la hace incidir sobre una pantalla opaca en la que se practicaron dos agujeros pequeños, de un tamaño levemente mayor que el haz de luz, entonces tendremos dos fuentes de luz coherente. La imagen de estos orificios puede verse del otro lado, como se indica en las experiencias sugeridas en el material digital, con otra pantalla. Y la imagen que se observa como resultado no es una iluminación continua sino una sucesión de luces y sombras, conocido como “patrón de interferencia”

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Ejemplo de un patrón de interferencia.

Los sectores iluminados se deberán a un máximo de intensidad del campo eléctrico, mientras que en las regiones en sombra el campo eléctrico será cero. ¿Cómo explicar este fenómeno? Para hacerlo debemos imaginar la luz que sale de cada agujero iluminado como una sucesión de ondas electromagnéticas, con máximos y mínimos de campo eléctrico y magnético que se van propagando en el espacio. Como dijimos, la mayor intensidad de la luz está relacionada con los máximos del campo eléctrico (interferencia constructiva), y la oscuridad con los mínimos (interferencia destructiva). Como varían tan rápidamente (en el caso del láser, unas 3 billones de veces por segundo), nuestro cerebro lo percibe como una iluminación continua. Sin embargo, habrá lugares de la pantalla a los que las ondas provenientes de ambos agujeros “emisores” lleguen con un desfasaje tal que la onda compuesta por ambas contribuciones tenga siempre un máximo (o siempre un mínimo) de intensidad. Así, en cada lugar de la pantalla habrá un campo eléctrico oscilante, suma de dos campos, pero de tal manera que en algunos casos esta adición producirá luz y, en otros, oscuridad. Este efecto depende de la frecuencia de la luz, así como del tamaño de las rendijas por las que pasa y de la separación entre las mismas. Por eso mismo, es interesante realizar experiencias que permitan variar esos valores.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Descargar experiencia:Experiencia de polarización

Como vimos, la luz es una onda transversal. Es decir, el campo eléctrico y el magnético, que oscilan en planos perpendiculares entre sí, se propagan a su vez en un plano perpendicular a la dirección en la que viaja la onda.Mencionamos también que estas ondas son generadas por cargas eléctricas aceleradas. Cuando estas aceleraciones ocurren siempre en una misma dirección -supongamos que sea una aceleración vertical-, la onda electromagnética resultante estará polarizada: vibrará en esa misma dirección –en este caso, un plano vertical-. Si las aceleraciones de las cargas eléctricas no tienen una dirección preferencial, tendremos ondas polarizadas en todas las direcciones posibles o, lo que es lo mismo, sin polarizar. Además, independientemente de las fuentes que la generaron, es posible obtener luz polarizada a partir de luz que no lo esté. Si logramos construir un dispositivo que deje pasar solo la componente que vibre en una dirección determinada (por ejemplo horizontal) obtendríamos luz polarizada. A estos dispositivos se los llama “polarizadores”.

Luz que se orienta: Polarización

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

En el caso de la luz, nuestros ojos no pueden percibir ninguna diferencia entre distintas polarizaciones. Sin embargo, podemos comprender mejor este fenómeno con una cuerda o resorte y un marco angosto de madera (de ancho comparable al espesor de la cuerda). Si generamos una onda circular en la cuerda, es decir, que vibre en el plano vertical y horizontal, y la hacemos atravesar el marco, veremos que del otro lado la cuerda sólo vibra en uno de los dos planos, horizontal o vertical, según la manera en que coloquemos el marco que funciona como un polarizador. Continuando con la analogía de la cuerda y el marco de madera, en el caso de las ondas electromagnéticas existen también polarizadores que, cuando los interponemos, sólo dejan pasar luz en una determinada dirección.Los polarizadores tienen un eje de polarización definido, de modo que si interponemos en el camino de la luz dos de ellos con ejes cruzados (por ejemplo, uno vertical y otro horizontal), bloquearemos por completo la propagación.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

El título de la canción hace referencia a la marca Polaroid, fundada en 1935 por el científico estadounidense Edwin Lang, a partir de su laboratorio de óptica. Lang fue el creador del primer polarizador sintético, de la teoría Retinex sobre el color, que comentaremos posteriormente, y también, en 1947, de la cámara fotográfica instantánea, que ofrecía en papel una imagen fotográfica ya revelada en 60 segundos. Polaroid es usado aquí como sinónimo de fotografía instantánea, y la temática del poema está relacionada con el cuento de Charles Bukowski titulado “La chica más guapa de la ciudad”.

“Polaroid de locura ordinaria”Fito Páez (1988).

Bajó por el callejón en donde estaba él después vomitó ese ron manchando la pared El sol le caía bien entrando en la avenida. Su vida no era más su vida pero eso estaba okey.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Ilustración Federica Rampf

Hemos visto hasta aquí que el desafío de describir la luz a través de algún modelo apropiado no fue -no es- tarea sencilla, por la naturaleza tan especial de la luz. Hasta ahora existen dos modelos, y se recurre a uno u otro según las características de aquello que se pretende estudiar. Vimos que el modelo de ondas es necesario para explicar fenómenos como difracción, interferencia y polarización. Pero a la hora de entender la interacción de la luz con la materia el modelo de partículas es el más apropiado. Esta coexistencia de dos modelos complementarios -que fue causa de largas discusiones entre los físicos- es llamada dualidad onda-partícula.Una observación: al mirar el índice de este libro pareciera haber un tercer modelo, el de rayos, que describe la óptica geométrica y sirve para abordar la reflexión y la transmisión de luz. Sin embargo, podría pensarse a estos rayos como las trayectorias de partículas que se mueven en línea recta a la velocidad de la luz, o bien como líneas que apuntan en la dirección en que se mueven las ondas. De hecho, puede reescribirse la óptica geométrica en términos ondulatorios.

¿En qué quedamos: onda o partícula?

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Luis Víctor de Broglie (1892-1987)

Esta naturaleza dual de la luz inspiró una teoría puramente especulativa propuesta por un joven físico francés: Luis Víctor de Broglie (1892-1987). Él se preguntó si, así como la luz puede ser onda y partícula, las partículas “comunes y corrientes” como los electrones y protones podrían tener también un aspecto ondulatorio. Detrás de ese argumento está la noción de simetría, tan abundante en la naturaleza y tan valorada por los físicos.La atrevida teoría elaborada por de Broglie pronto dio origen a diversas experiencias que intentaban probar si tenía algún fundamento. Se encararon experimentos similares a los que muestran el carácter ondulatorio de la luz: se interpone a la onda un objeto -o una ranura- para lograr difracción e interferencia. En este caso, fue necesario apelar a objetos y ranuras de tamaños mucho menores que los usados para la luz porque, según la nueva teoría, la longitud de onda que le corresponde a un electrón, por ejemplo, es del tamaño de un átomo.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Ante la imposibilidad en aquellos tiempos de manipular la materia a nivel atómico (hoy posible) para construir una red o rendija de ese tamaño, se eligió usar como rejilla los átomos que forman un cristal -y otros dispositivos más sofisticados- como barreras para deformar la onda. Los resultados apoyaron la hipótesis de dualidad onda-partícula, y de allí a desarrollar aplicaciones tecnológicas pasaron pocos años. El microscopio electrónico y la nanotecnología son ejemplos contundentes de que las cosas funcionan como si la materia tuviera también una naturaleza dual. Por qué es así, no lo sabemos. Sólo podemos decir que la Mecánica Cuántica, que es la teoría que los describe, pese a ir contra el sentido común, es la más exitosa que jamás haya sido propuesta.

CAPÍTULO 2: DESFILE DE MODELOS: LA MIRADA DE LA física

Ilustración de Rö Barragán

El ojo ha sido utilizado en la cultura como símbolo de una visión que trasciende a la función biológica: la visión divina, simbolizada con el ojo de Dios, o la visión mística, con el tercer ojo, son algunos ejemplos. Los ojos también parecen hablar en silencio de lo que somos y sentimos, y guardan celosamente nuestros secretos.

“Y fue tanta la inmensidad de la mar, y tanto su fulgor, que el niño quedó mudo de hermosura. Y cuando por fin consiguió hablar, temblando, tartamudeando, pidió a su padre: -Ayúdame a mirar-” (Galeano, 1993).

La visión

CAPÍTULO 3: percepción

Oftalmotropo de KnappColección Museo de Física

En física, el ojo humano puede ser descripto como un complejo instrumento óptico. En la parte anterior tiene una lente biológica biconvexa (o convergente) llamada cristalino, que hace foco en la pared posterior del ojo, la retina. Esta última es una estructura compleja que funciona como una pantalla receptora y está formada por distintos tipos de células nerviosas que son sensibles a la luz y a las que se denomina como fotorreceptoras. Hay dos tipos: los conos y los bastones, que son células especializadas en traducir las señales luminosas que llegan desde el exterior en corrientes eléctricas. Estas corrientes se envían a la corteza visual a través del nervio óptico y allí se interpretan como una imagen.

CAPÍTULO 3: percepción

Detalle del Oftalmotropo de KnappColección Museo de Física

La distinción entre conos y bastones es funcional: mientras los bastones son sensibles a la intensidad de la luz y a los movimientos, los conos son quienes distinguen los distintos colores. A su vez, los conos pueden tener tres tipos de proteínas que los hacen más sensibles a un determinado rango de longitudes de onda: más del 60% son sensibles al rango de rojo-naranja; alrededor del 30% son sensibles al verde-amarillo; y el resto -aproximadamente el 5%- al rango violeta-azul. Probablemente por este motivo nos llame mucho más la atención el color rojo que los demás. De todos modos, la visión como sentido, tal como la experimentamos al mirar nuestro entorno, es un fenómeno que comienza por los ojos pero se completa en el cerebro, el cual compone e interpreta las imágenes.

CAPÍTULO 3: percepción

Descargar material complementarioEl arte y la luz. Marcela Andruchow

Descargar material complementarioEl ojo, el arte, la luz. La obra de Le Parc Marcela Andruchow

Descargar material complementarioÓptica y Arte. Federica Rampf

Material complementario

La visión

CAPÍTULO 3: percepción

CAPÍTULO 3: percepción

Nuestros ojos funcionan igual y cumplen la misma función. Entonces, ¿Para qué necesitamos los dos? La percepción de la misma imagen con dos ojos es lo que nos permite evaluar la profundidad de las figuras y el espacio. Esto se debe a que cada ojo proyecta en la retina una imagen de lo que vemos, que es ligeramente diferente de la otra. El derecho ve más detalles del lado derecho, y el izquierdo, del izquierdo. Los seres humanos percibimos la profundidad gracias a la fusión que realiza nuestro cerebro de estas dos imágenes casi iguales, una percibida por el ojo derecho y otra por el izquierdo, de forma separada. Sin embargo, esta información no es usada de modo simétrico. En general, uno de los ojos es “dominante” en el proceso de visión: el cerebro privilegia la información que llega de uno de ellos. La información del otro es utilizada por el cerebro para generar la sensación de profundidad.

Tercera dimensión

La visión

CAPÍTULO 3: percepción

Descargar experiencia: visión de fotos en 3D

Así, con los dos ojos abiertos podemos percibir la tridimensionalidad de un objeto. En el caso de un dibujo plano, la sensación de tridimensionalidad, o profundidad, se logra con lo que llamamos perspectiva: la proporción relativa de tamaños que nos da una referencia de la distancia al observador.Una vez incorporada a nuestra experiencia, la perspectiva nos ayuda a interpretar el mundo que nos rodea: forma parte de nuestro código gráfico. De este modo, nuestro cerebro interpreta lo que los ojos ven. Si una persona ciega de nacimiento pudiera ver se encontraría con dificultades para calcular las distancias, porque es la experiencia la que nos permite construir el criterio para situar los objetos en el espacio. Las imágenes para visión 3D pueden imitar el efecto que logran ambos ojos a partir de una superposición de dos imágenes planas levemente distintas, tomadas desde ángulos ligeramente diferentes. Por ejemplo, puede lograrse una visión con profundidad usando dos fotografías tomadas desde puntos separados unos pocos centímetros entre sí (como la distancia que existe entre nuestros ojos).

La visión

CAPÍTULO 3: percepción

Estereoscopio de Wheatstone Colección Museo de Física

Para construir el efecto de profundidad o relieve, es necesario que el ojo derecho registre solamente la imagen que correspondería al ojo derecho y el izquierdo registre la imagen que corresponde al ojo izquierdo. Un método para lograr esto es superponer ambas imágenes pero impresas en distintos colores, por ejemplo, una en tonos rojos y la otra azules y, para visualizarlas, utilizar anteojos con filtros en cada ojo (uno rojo y el otro azul en nuestro ejemplo). Esto hace que un ojo sólo vea la imagen en tonos rojos y bloquee la visión de la imagen en tonos azules, y viceversa. Así, el cerebro “suma” o compone estas imágenes y las interpreta como una figura tridimensional.Para la proyección de las películas tridimensionales que pasan actualmente en el cine, además de las consideraciones anteriores, las filmaciones se proyectan a través de polarizadores con los ejes de polarización en direcciones distintas. Si miramos una proyección 3D a simple vista veremos las imágenes borrosas. Para verlas en tres dimensiones, el espectador debe utilizar anteojos que polarizan la luz que llega a cada ojo con un eje distinto. Al estar las dos imágenes superpuestas polarizadas en distinta dirección, cada ojo percibe una de las dos filmaciones, como ocurre en la visión real. El cerebro luego interpreta estas dos imágenes construyendo una sola, con sensación de profundidad.

La visión

No todo es lo que parece

CAPÍTULO 3: percepción

En este ejemplo, se ven flechas blancas o negras según el hemisferio que “gane” la competencia.

Como hemos mencionado, es nuestro cerebro el que realiza la interpretación, asignando un sentido a lo que los ojos ven. Por eso nos sorprenden las ilusiones ópticas, pues nos generan contradicciones entre lo que vemos y lo que nos parece ver.Hay numerosos ejemplos de ilusiones ópticas, y también numerosos efectos que las generan. Mencionaremos brevemente algunos. Ciertas ilusiones ópticas se deben a la “competencia” entre los dos hemisferios de nuestro cerebro. Aunque están interconectados, el derecho es el que procesa las imágenes del ojo izquierdo, y viceversa. Ambos hemisferios se van especializando en sus funciones a medida que crecemosy aprendemos nuevas capacidades. A partir del estudio de personas que habían sufrido lesiones en uno u otro hemisferio, se avanzó en el conocimiento del funcionamiento del cerebro: ambos hemisferios desarrollan diferentes modos de “pensar”, realizando procesos mentales complejos que se complementan.

Descargar experiencia: Cinegraf

Descargar experiencia: Taumatropo

Descargar experiencias: Un agujero en la mano y salchicha voladora.

No todo es lo que parece

CAPÍTULO 3: percepción

La luz dispersada por un prisma se divide en bandas continuas de colores que van desde el rojo al violeta, como en el arcoiris. Newton bautizó esta configuración como espectro. Si bien el espectro visible es un degradé continuo, suele hablarse de siete colores bien diferenciados: rojo, anaranjado, amarillo, verde, azul, añil (azul violáceo) y violeta.Newton suponía que había alguna relación especial que establecía que fueran siete las notas de la escala musical, los días de la semana y los planetas del sistema solar conocidos hasta ese entonces, y por ese motivo eligió visualizar el espectro como si estuviera formado por siete colores.

Espectro de luz

CAPÍTULO 3: percepción

Descargar experiencia: Actividades de epectroscopía

Así como la longitud de onda de los sonidos que percibimos nos da la sensación de la cualidad que conocemos como altura (nota musical), la longitud de onda de la luz que percibimos nos da la sensación de color. Si recibimos simultáneamente dos sonidos con alturas diferentes, nuestro sentido del oído puede distinguir ambas notas. Sin embargo, curiosamente, si superponemos luces provenientes de varias linternas con filtros distintos, el color resultante será una mezcla donde no podremos distinguir las componentes. Puede conseguirse un amplio rango cromático superponiendo luz de tres colores cualesquiera: por ejemplo, el trío rojo, verde y azul (RGB, por sus iniciales en inglés) usado por los televisores y pantallas, o el cyan, magenta y amarillo, que usan las impresoras. Sin embargo, no es posible mediante ninguna combinación de solo tres colores construir todos los demás que podemos percibir los seres humanos.

Espectro de luz

CAPÍTULO 3: percepción

Ilustración: Lido Iacopetti

La luz visible es sólo una pequeña porción del espectro electromagnético. Nuestros ojos, junto con el cerebro, forman los sensores o detectores fisiológicos que nos permiten distinguirla, pues están preparados para trabajar dentro de un cierto rango de frecuencias o longitudes de onda. De manera análoga, nuestra piel es un sensor que puede captar cierta parte del espectro infrarrojo produciéndonos la sensación de calor. Una pregunta que todos nos hemos hecho alguna vez es por qué vemos los objetos de distintos colores. Para la física el color está asociado a la frecuencia (o longitud de onda) de la luz. Pero el color de la luz, y la sensación de color que puede generar en nuestra percepción, son dos conceptos diferentes.

El color es un invento del cerebro

CAPÍTULO 3: percepción

Hay un factor a tener en cuenta para entender por qué un objeto se ve del color que se ve: la fuente que lo ilumina. La luz de las velas contiene poco azul y los objetos iluminados se ven amarillentos. Las lamparitas incandescentes emiten abundantemente en la gama de los rojos. Las lámparas fluorescentes emiten una luz más “fría”, resaltando los objetos azules. La luz solar, en cambio, es una combinación de todas las frecuencias visibles, aunque no en igual proporción. Las más abundantes son las ondas en la gama del verde-amarillo, mientras que el rojo y azul no lo son tanto, y el violeta está en aún menor proporción. El color físico de una fuente de luz queda definido por lo que se denomina su composición espectral: las longitudes de onda específicas que la componen, acompañadas de sus respectivas intensidades.

El color es un invento del cerebro

CAPÍTULO 3: percepción

Descargar experiencia: Disco de Newton

El color es un invento del cerebro

CAPÍTULO 3: percepción

Descargar experiencia: Colores estructurales

Sin embargo, a pesar de que podemos decir desde la biofísica que el color es la respuesta fisiológica de nuestro sistema ojo-cerebro ante el estímulo de luz de un rango dado de frecuencias, la percepción de los colores es un proceso muy complejo que no está del todo comprendido. Por ejemplo, sabemos que percibimos la luz con frecuencias entre 500 y 520 x 1021 hertz de color amarillo. Pero también vemos amarillo superponiendo un haz rojo y uno verde, aunque la frecuencia de la luz de estos colores no es la misma que la del amarillo, sino que está en otro rango. Es decir, a pesar de que una composición espectral determina inequívocamente un color, la misma sensación de color puede obtenerse con composiciones espectrales diferentes. Aunque existen varias teorías al respecto, el mecanismo que conduce a la percepción no ha sido completamente esclarecido.

El color es un invento del cerebro

CAPÍTULO 3: percepción

Ah, te vi entre las luces. Fragmento de canción de La máquina de hacer pájaros. (1976)

Estás sentada en el aire. Nada de luz esperando que marquen tres Esperando verme otra vez Está bien, está bien, está bien... Ah! Te vi entre las luces con tu cara toda azul...

Descargar experiencia: Formar colores con la luz

El color es un invento del cerebro

CAPÍTULO 3: percepción

El color en la cultura

Descargar material complementario: Simbología de los colores

La física entiende los colores como ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias que nuestros ojos pueden percibir con el sentido que llamamos vista. Sin embargo, existen otras maneras de “acercarse” a los colores, pues es innegable que están ligados culturalmente a distintas sensaciones e ideas. Incluso puede hablarse de un lenguaje de los colores: elegimos el rojo como símbolo del amor. El blanco representa la limpieza y pureza. Pero estos significados no son completamente universales, ya que para diferentes culturas no tienen necesariamente las mismas interpretaciones.

El color es un invento del cerebro

CAPÍTULO 3: percepción

El color del cielo, del mar y del sol

El color es un invento del cerebro

CAPÍTULO 3: percepción

Ilustración: Gastón Sergnese

En esta sección presentamos algunos relatos de la cocina de la física relacionados con la luz, que son ejemplos de la manera en que se construye el conocimiento en esta disciplina. Estas historias muestran que en el desarrollo de la ciencia y en la generación de nuevos conocimientos acerca del mundo no se sigue el famoso “método científico”, en el sentido de receta única e infalible sino que son procesos inmensamente más complejos.

Velocidad de la luz

CAPÍTULO 4: Historias recientes, y no tanto

Consecuencias de los experimentos de Crookes: Rayos X

En este apartado, reseñaremos la historia de algunos fenómenos relacionados con la luz: la emisión luminosa en tubos de baja presión, la luminiscencia relacionada con los Rayos X, la fluorescencia, y la radiactividad. En 1895, Wilhem Röntgen se entusiasmó con la fluorescencia observada por Crookes. Se preguntaba si los rayos catódicos atravesaban el vidrio de los tubos y, para comprobarlo, cubrió con cartón uno de los mismos. No observó ningún resplandor, pero sí vio luminiscencia en una pantalla de platinocianuro de bario que tenía en su laboratorio. Durante las siguientes semanas, repitió el experimento interponiendo diferentes materiales entre la pantalla y el tubo, notando que sólo el plomo podía impedir la luminiscencia.

Velocidad de la luz

CAPÍTULO 4: Historias recientes, y no tanto

La conclusión era inevitable: el tubo emitía algún tipo de radiación invisible pero penetrante en la materia. Cuando intentó fotografiar este fenómeno encontró otra sorpresa: las placas que tenía estaban veladas. Para comprobar el alcance de la radiación en la emulsión, colocó el tubo y la placa fotográfica en distintas habitaciones, consiguiendo una imagen de la puerta que las separaba.Röntgen obtuvo también impresiones del paso de la radiación a través del cuerpo humano. La primera radiografía fue una imagen de la mano de su esposa Bertha luego de una exposición de 15 minutos. Röntgen se convirtió en el científico del momento. Había descubierto los rayos X. Posteriormente a su conferencia de 1896 cosechó múltiples reconocimientos y en 1901 recibió el Nobel de Física. A pesar de las posibles aplicaciones, Röntgen se negó a comercializar o patentar su descubrimiento, argumentando que el beneficio pertenecía a la Humanidad.

Velocidad de la luz

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En Argentina existe mucha actividad científica y tecnológica en diversas áreas del conocimiento. Basta visitar el sitio web del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación Productiva de la Nación, del CONICET o de las universidades, entre otros, para hacerse una idea de la magnitud y calidad de las labores científicas y tecnológicas desarrolladas por nuestros científicos y tecnólogos. Para dimensionar nuestras capacidades, recordemos que el satélite SAC-D/Aquarius, lanzado en 2011, fue íntegramente diseñado y construido en Argentina. Recordemos también que nuestro país sabe construir reactores nucleares desde hace años; que aquí se fabrican láseres prácticamente desde que se supo cómo construir el primero hace más de cincuenta años; que científicos argentinos participan de experimentos internacionales como los que buscan la “partícula de Dios”, y muchos más.

Descargar material complementario: Breve recorrido a los laboratorios de nuestro país.

La luz es ciencia y tecnología

CAPÍTULO 4: Historias recientes, y no tanto

Descargar material complementario: Una conferencia de divulgación

Descargar experiencia: Cable de luz

La luz es ciencia y tecnología

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La pequeña llama. Fragmento del poema de Juana de Ibarbouru (1998).

Yo siento por la luz un amor de salvaje. Cada pequeña llama me encanta y sobrecoge. ¿No será, cada lumbre, un cáliz que recoge el calor de las almas que pasan en su viaje?

Más allá de lo que pueda decir la ciencia, la luz nos fascina e interpela. Pocas cosas son tan cotidianas como ella y mantienen la capacidad de maravillarnos. Artistas, artesanos, científicos, niños, adultos. Todos tenemos nuestras experiencias con la luz y algo que decir sobre ella. En estas frases que formaron parte de la muestra “Hágase la luz”, que presentó la Red de Museos de la UNLP en el marco del Año Internacional de la Luz (2015), podemos encontrar algunos ejemplos de ello: Así, en una biblioteca podemos pensar “que mediante la luz de una vela, una linterna, un farol, una lámpara o una pantalla, accedemos a los mundos de los libros y sus travesías”. Y en un taller de arte decir que “la luz favorece la creación de la obra de arte dándole un nuevo sentido y, a la vez, facilita la interpretación de la misma”. Alguien que trabaja con vida vegetal entenderá que “la luz mantiene la vida en la Tierra, y la fotosíntesis transforma tanto la superficie como la atmósfera”.

Epilogo

CAPÍTULO 4: Historias recientes, y no tanto

Epilogo

Mientras quienes se ocupan de la vida animal resaltarán que “la importancia de la luz excede los límites del pensamiento; para los animales, entre tantas funciones, la luz es fundamental en los procesos de relación con el medio, relación entre pares, reproducción y elaboración de nutrientes.” Un niño puede proponer que la luz “es algo que ilumina, puede ser el sol o la luz artificial, por ejemplo una linterna, también luz puede dar una luciérnaga, etc. Pero la luz ilumina, o sea que hace que se vaya la oscuridad”. Y al mismo tiempo, un astrónomo propone que “los instrumentos astronómicos son la materialización de la inteligencia y el esfuerzo de la Humanidad para leer las infinitas historias que la luz puede contar”

CAPÍTULO 4: Historias recientes, y no tanto