Tres fenómenos luminosos cotidianos fundamentales para la ciencia

Aristófanes, el comediógrafo griego que vivió durante la turbulenta época de las guerras del Peloponeso, describió la reflexión de los rayos solares en su obra Nubes, un ataque a las teorías educativas de los sofistas; la leyenda dice que Arquímedes reflejó los rayos del Sol para quemar las naves romanas que asediaban su querida Sicilia; el estadista y filósofo romano Séneca escribió sobre el efecto amplificador que tiene el agua encerrada en una ampolla; Nerón utilizaba una esmeralda como si fuera una lente para disfrutar de los combates en el Circo; Ptolomeo, el astrónomo cuyo modelo de universo geocéntrico prevaleció durante 1400 años y del cual, irónicamente, nada se sabe, fue el primero en anunciar, en el siglo II, una aproximación de la ley de Snell, la fórmula matemática con la que se calcula cuánto se desvía un rayo de luz al pasar de un medio a otro; los piratas eran capaces de descubrir islas mirando la forma de las olas del mar y los isleños de la Micronesia se guían en sus viajes por el Pacífico no sólo por las estrellas sino también por patrones de olas característicos, originados por peculiares estructuras submarinas en alta mar...

Si nos preguntamos qué tienen en común las descripciones anteriores la respuesta es bien simple: son producto de un tipo de movimiento que los físicos llaman ondulatorio y que es representativo del sonido, de la luz y de las olas del mar. En el fondo, todo se explica mediante tres fenómenos característicos de las ondas: la reflexión ―rebote contra una superficie―, la refracción ―cambio de dirección de propagación― y la difracción ―la capacidad para doblar las esquinas―.

Espejo, espejito

La reflexión no es otra cosa que el rebote de una onda contra una superficie y es el fenómeno que se esconde todas las mañanas detrás del espejo. La refracción no es tan común pero sí habitual. Esos “charcos” que aparecen en las carreteras los calurosos días de verano son producto de la refracción, al igual que los espejismos de los desiertos.

Más difícil de ver, por estar oculta en las esquinas de la vida diaria, es la difracción, que debemos entender como la capacidad de las ondas para “volver las esquinas”. Gracias a ella podemos escuchar una conversación detrás de una tapia –sin contar, naturalmente, la parte del sonido que ser propaga a través de la pared- o que haya algo de oleaje detrás de los malecones de los puertos. Pero quizá lo más fascinante de todo sea algo que descubrimos a finales de la década de los felices años 20: no sólo el sonido, las olas y la luz son ondas. La materia, los átomos de los que estamos hechos y las partículas que lo componen –electrones, protones y neutrones- nos sólo se comportan como balines de feria. También se comportan como olas de un estanque. Y lo más maravilloso de todo: se comportarán de un modo u otro dependiendo de lo que queramos ver.

El truco del lápiz partido

Coloque un lapicero dentro de un vaso de agua: parecerá como si el lápiz estuviera partido justo en la superficie del agua. Deje una moneda en el fondo de un vaso lleno de agua. Si la mira desde arriba a través del agua y va cambiando poco a poco el ángulo de observación llegará un momento en el que verá el fondo del vaso pero no la moneda. El fenómeno físico que se esconde tras estos dos “trucos” es uno de los fenómenos ópticos más engañosos: la refracción de la luz, el cambio de dirección que experimenta un rayo de luz al pasar de un medio a otro de distinta densidad debido a que la velocidad de la luz depende de la densidad del medio por el que se propaga. Esto es fácil de entender si imaginamos la luz como pequeñas partículas que se mueven entre la materia. Cuanto más densa sea la materia, más le va a costar moverse, de la misma manera que nosotros caminamos más deprisa por una calle desierta que por otra abarrotada de gente. En el caso de la luz, los rayos se “doblan” al pasar de un medio a otro.

La refracción también es la responsable de una de las ilusiones ópticas más conocidas: los espejismos, que nos hacen ver cosas que no están donde aparentemente las vemos. Los espejismos no sólo aparecen en el desierto; también pueden verse en lagos. Esto sucede en el famoso lago Ness durante un día soleado y con la superficie del lago en calma. La capa de aire que se encuentra sobre el agua fría está a menor temperatura que las capas superiores calentadas por el sol. O lo que es lo mismo, tenemos capas de aire de distinta densidad: el ambiente propicio para la refracción.

De hecho, en los años 1903 y 1904 la Real Sociedad Geográfica llevó a cabo un análisis de los espejismos en el lago Ness. En 1979, la prestigiosa revista Science publicaba un artículo donde se insistía sobre lo frecuentes que eran los espejismos en lagos de aguas frías, y cómo un objeto o animal perfectamente conocido podía adquirir un aspecto grotesco y enorme a causa de la refracción de los rayos de luz que nos transmiten su imagen. Curiosamente, la mayor parte de las visiones del famoso monstruo se han producido en condiciones idóneas para observar este fenómeno.

Un fenómeno extraño

La próxima tarde soleada bajemos las persianas de manera que pase la luz entre las rendijas y fijémonos en la imagen que proyectan sobre el suelo: descubriremos que su tamaño es superior al de la rendija, algo que, si lo pensamos un poco, no podría suceder. Sin embargo, así es. A este fenómeno se le llama difracción.

La luz se esparce alrededor del borde de un obstáculo e ilumina la parte del suelo que, en realidad, debería estar en sombra. Y no sólo eso. Si nos fijamos con cuidado veremos que la intensidad no es uniforme en toda la mancha luminosa, sino que va decreciendo gradualmente a ambos lados del centro. Este hecho fue descrito maravillosamente por Thomas Young en 1801, cuando en dos famosos artículos expuso lo que llamaba la ley general de la interferencia de la luz. El gran debate sobre si la luz era una onda o una partícula se había decantado por esta última gracias al buen hacer de Newton y a que los científicos ondulatorios eran incapaces de solventar la gran pregunta: si realmente la luz es una onda, ¿por qué no dobla las esquinas? «El tañer de una campana —argumentaba Newton— se puede escuchar detrás de una colina a pesar de que la intercepta... pero a la luz nunca se la ha visto doblarse hacia la sombra». Young demostró con su teoría de interferencias que la luz ciertamente ‘doblaba la esquina’, pero no tan exageradamente como el sonido o las olas en un estanque. Y es gracias a la difracción de la luz, más concretamente a la de los rayos X, con la que hemos conseguido determinar, no sólo la estructura de los sólidos cristalinos, sino la del propio ADN.