¿Qué es la luz? Física cuántica para la crisis energética

En este artículo no aprenderás trucos para pagar menos por la luz y tampoco te enseñaremos a interpretar una factura. Este enfoque es otro, porque lo que pretendemos es explicar qué es realmente la luz. Podríamos empezar aclarando que, lo que pagamos realmente en nuestros hogares no es luz, sino electricidad. Es una obviedad, pero da pie a hablar del zoológico de partículas que parece componer nuestra realidad. La electricidad que circula por los circuitos de nuestro hogar está formada por unas partículas diminutas e indivisibles conocidas como electrones. Cuando esta electricidad pasa por el filamento de las bombillas de toda la vida, el material del que está hecho ofrece cierta resistencia a los electrones y empieza a calentarse hasta alcanzar altísimas temperaturas y volverse incandescente. Ahora, el filamento comenzará a emitir otro tipo de partículas (también fundamentales) que sí constituyen la luz: los fotones. Son el mismo tipo de partícula luminosa que emite el Sol o una lámpara LED, solo que, en lugar de deberse a la resistencia de un circuito, se forman de manera diferente.

Así que no pagamos por luz, exactamente, sino por otro tipo de partícula que puede alimentar tanto a una bombilla como a una maquinilla de afeitar, la cual no emite fotones (o al menos, no debería). Nos podríamos quedar tranquilos con esta explicación, pero, en realidad la polémica o ha hecho más que empezar. Acabamos de afirmar que la luz es una partícula, algo que popularmente representaríamos como una especie de pelotilla diminuta. Así la entendimos durante mucho tiempo, pero si fuera eso se comportaría siempre como si fuera una bala en movimiento, y eso no es así. A poco que empecemos a experimentar con la luz descubriremos que ocurren cosas de lo más extrañas que solo podríamos explicarsi, en lugar de una partícula, fuera una onda, como las olas del mar o el sonido que llega a nuestros oídos. Sin embargo, podemos adelantar que esa tampoco es la respuesta, porque, en cierto modo, la luz no es ni onda, ni partícula, ni las dos cosas. Pero vayamos parte por parte, hablemos de sombras.

El punto de Arago

Durante el siglo XIX, algunos científicos se dieron cuenta de que, si iluminaban un objeto circular, la sombra que proyectaban tenía algo extraño. En el centro de su oscura silueta aparecía un punto de luz, como si los fotones estuvieran atravesando el objeto por algún poro de su superficie. El problema es que no importaba qué objeto iluminaran, todos se comportaban como si tuvieran ese misterioso poro. No fue sencillo encontrar una explicación alternativa, pero un joven físico llamado Augustin-Jean Fresnel tenía una idea: ¿Y si la luz fuera una onda? Sabemos que el sonido, que efectivamente es una onda, hace cosas parecidas cuando se proyecta contra un objeto.

Podemos imaginarnos estas ondas como las que se producirían en la superficie de un estanque al lanzar una piedra. Si estas se propagan por el agua hasta dar con un obstáculo, este frenará a las ondas que impacten directamente contra él, pero las que pasen rozando sus bordes acabarán rodeando el objeto. Por supuesto, llegarán menos ondas a la parte inmediatamente posterior del objeto que a sus laterales, pero llegarán. En el caso de la luz pasaría lo mismo, habría luz incluso en la sombra, solo que muy poca. Y, el punto luminoso no sería otra cosa que el lugar donde coinciden esas ondas que han rodeado el borde del objeto desde todos los lados, uniéndose para sumar su “brillo” y destacar en la oscuridad. Esto se conoce como punto de Arago o punto de Poisson y fue una de las primeras pruebas firmes de que, tal vez, la luz era una onda y no una partícula. Hasta entonces, las hipótesis de este tipo no habían destacado mucho, en parte porque el principal defensor de la teoría corpuscular de la luz (la de las partículas) era Isaac Newton, por lo que su autoridad había asfixiado este tipo de explicaciones ondulatorias durante bastante tiempo.

La doble rendija

Puede que el experimento de Arago sea relativamente desconocido por el público general, pero hay otro mucho más famoso que desconcertó a la comunidad científica. Se trata del experimento de la doble rendija, realizado por Young unos años antes que el de Fresnel. En él, el físico hacía que un rayo de luz bañara una plancha perforada con dos rendijas alargadas, paralelas entre sí. Si la luz estuviera hecha de partículas, estas atravesarían una abertura o la otra y proyectarían dos franjas de luz en la pared que hubiera tras la plancha. Esto fue exactamente lo que Young observó, pero había un problema. Si decidía no interactuar con esta luz durante su viaje, si no realizaba mediciones ni la perturbaba de ningún modo, el patrón que luego encontraba en la pared era diferente. En lugar de dos franjas aparecía una serie de columnas alternamente más o menos iluminadas, como las rayas de una cebra puntillista. ¿Qué estaba pasando?

Ese comportamiento es propio de las ondas, o, mejor dicho, de la interferencia entre ellas. Si la luz fuera una onda, impactaría a la vez contra las dos rendijas y, de cada una de ellas, se propagaría una nueva onda que crecería tras la plancha perforada hasta alcanzar la pared. ¿Pero qué pasará cuando se encuentren? Las ondas, como las del estanque, tienen sus partes elevadas y sus partes bajas (crestas y valles, que se llaman). Cuando dos ondas chocan de tal modo que coinciden sus crestas, se forma una cresta todavía mayor. Cuando coindicen dos valles, el valle también se potencia. Pero cuando lo que coinciden son un valle y una cresta, estos se cancelan entre sí y en lugar de luz, tenemos oscuridad. Eso es lo que ocurría en la pared, dos ondas colisionando, potenciándose y destruyéndose de forma alterna, dando lugar a ese patrón rayado. Así nació la idea de que, después de todo, la luz no es ni una partícula ni una onda, sino las dos cosas, y que según la midamos se puede comportar de una manera o de otra.

La cruda verdad

El problema es que esa frase no solo suena rara para los profanos. Es extraña dentro de la propia academia. Aceptar que la luz es una cosa u otra según la situación no es lo mismo que decir que se comporta de maneras diferentes, es plantear que no hay tal cosa como una entidad que represente a la luz, sino que esta es variable, algo realmente extraño. Por suerte, la física moderna ha dado con otra explicación, la de los campos cuánticos. Un campo llena todo el espacio y almacena energía. Esa energía que transporta el campo es lo que puede comportarse como onda o como partícula. Como onda porque a fin de cuentas así es como se propaga, pero como partícula en tanto que podríamos hablar de píxeles de energía, cantidades mínimas de tal modo que podamos sustraer ni añadir medio “pixel” de energía a un campo. Esas cantidades fijas serían las partículas. De hecho, se llaman cuantos y de ellos viene el nombre de la física cuántica.

Más adelante descubrimos que, en realidad, el electrón, ese por el que pagamos en la factura de la luz, también puede comportarse como onda o como partícula porque, en realidad, también es la excitación de un campo cuántico. Así que, aunque la luz siga igual de cara que antes de empezar a leer este artículo, al menos ahora conoces lo que estás pagando, sea el electrón que recorre la instalación eléctrica de tu casa o los fotones que escapan de tus bombillas, no son partículas ni ondas exactamente, sino excitaciones de campos cuánticos. No es consuelo, pero nunca está de más saberlo.

QUE NO TE LA CUELEN:

• En ciencia todas las explicaciones tratan de aproximarse a la realidad lo suficiente, pero eso no significa que, porque puedan hacer buenas predicciones o explicar conceptos complejos de manera coherente, sean exactamente una representación fidedigna de la realidad. Tal vez la luz tampoco sean campos, porque a fin de cuentas son unas entidades que hemos formulado para poder explicar los hechos que observamos. Quizás, con el tiempo, encontremos una explicación mejor y más intuitiva, pero, por ahora, lo que sí podemos decir, es que posiblemente se acerque más a la realidad pensar en la luz como la excitación de un campo cuántico que como una partícula, una onda o ambas cosas según le cuadre. De hecho, la teoría cuántica de campos, concretamente la electrodinámica cuántica, ha demostrado ser capaz de hacer las predicciones más precisas de todas las ciencias con enorme diferencia.

REFERENCIAS (MLA):

• Whitaker, Andrew. Einstein, Bohr and the Quantum Dilemma. From Quantum Theory to Quantum Information. Cambridge University Press (2006)
• Stodolna, A.S. et al. Hydrogen Atoms under Magnification: Direct Observation of the Nodal Structure of Stark States. Physical Review Letters vol. 110, 213001 (2013)
• Ball, Philip. Cuántica. Qué significa la teoría de la ciencia más extraña. Turner (2018)