Ya, en serio, ¿Qué es la Luz?

La luz es de las entidades más enigmáticas y fascinantes del Universo. Una “sustancia” que ha costado muchos siglos entender, con idas y venidas: ¿es la luz una onda o es un conjunto de partículas? Hoy quiero enseñaros que la realidad es más complicada.

Agarraos porque empieza un viaje por la óptica, el electromagnetismo, y el extraño mundo de la cuántica; al corazón de lo luminoso. Así que no perdamos el tiempo… Y empecemos por el sr. Newton.

Newton después de jugar con sus prismas lo tenía claro: los rayos de luz estaban compuestos por partículas. Lo de “rayos”: el concepto de la luz como “algo que viaja en línea recta” se remonta a los antiguos griegos, pero fue Alhazen el primero en darse cuenta de que los rayos de luz emanan de los objetos brillantes, golpean los objetos a nuestro alrededor, se meten en nuestros ojos y gracias a eso los vemos. Para Newton, estos rayos eran realmente chorrazos de partículas.

Los colores también eran fáciles de explicar así: diferentes colores, diferentes partículas con distinta masa. El rojo tendría mucha masa y por eso el cristal no era capaz de torcer su trayectoria, mientras que el violeta, más liviano, sí que cambiaría. Esta visión de la luz se mantendría en pie durante casi un siglo porque… bueno.

Cualquiera le chistaba a Newton. Pero ya contemporáneos suyos, como Huygens, veían algún problema. .

. Os lo enseño. Imaginad que tuvieramos un orificio que pudieramos regular de tamaño.

Apagamos las luces y enchufamos una linterna al orificio. Pregunta: si hago el agujero más pequeño, ¿qué deberíamos ver al otro lado, proyectado en la pared? Si Newton tuviera razón, y la luz fuera un chorro de partículas, al hacer el hueco más pequeño estarían pasando menos partículas por lo que la proyección debería ser pequeñita.

Sin embargo, a medida que uno empieza a hacer pequeña la abertura vemos como en cierto punto se empieza a agrandar la proyección. Explicar por qué pasa esto con partículas es un problemón, pero es sencillo si pensamos en la luz como una onda. Una onda que se está difractando; pasa por la abertura y después se esparce por el espacio.

Este es uno de muchos experimentos que se llevaron a cabo entre el siglo XVIII y el siglo XIX y que dejaron claro que la luz tenía comportamiento de onda. Otro clásico: la Doble Rendija de Young. Pasa un haz de luz por dos rendijas y verás cómo, en vez de dos franjas en la pantalla, encuentras un montón de franjas consecutivas.

Estamos viendo una onda sumándose en ciertas zonas y cancelándose en otras. ¿Pero una onda de qué? Al igual que una ola es una onda en el agua del mar, ¿cuál es el medio en el que la luz ondula?

Este problema fue resuelto por físicos trabajando en un campo totalmente diferente: el de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Faraday y compañía tenían un problema similar: cargas e imanes se atraían y se repelían sin la necesidad de tocarse, sin algo entre medias que transmitiera la fuerza. Eso les hizo pensar que era necesario un hilo de comunicación, un medio.

Así es cómo plantean la existencia de los campos eléctrico y magnético. Estudiando qué física debían obedecer estos campos, se dieron cuenta de que los dos estaban conectados. Si el campo eléctrico cambiaba en el tiempo eso perturbaba el campo magnético a su alrededor.

A su vez, si un campo magnético cambiaba en el tiempo, eso perturbaba el campo eléctrico a su alrededor. Si queréis saber la manera precisa en la que esto sucede, os recomendamos este vídeo que hicimos. Esta “influencia mutua” de los campos eléctrico y magnético, le dio a Maxwell una idea brillante: si un cambio en el campo eléctrico genera un cambio en el magnético, entonces esa variación debería generar un cambio en el campo eléctrico.

Y él, a su vez, debe responder con un cambio en el campo magnético. Y como si de una reacción en cadena de tratara, una perturbación se propagaría en este tandem electromagnético, igual que una ola en el mar. El puntapié final fue que, cuando calculó la velocidad de esta perturbación, descubrió que tenía la misma que la luz.

Se había encontrado que la luz era una onda en el campo electromagnético. Ese era el medio que faltaba. Teoría y experimentos se chocaron la mano y parecía que la naturaleza ondulatoria de la luz estaba ya sellada… .

. . Hasta que la física dió un vuelco total.

Cómo se descubrió la naturaleza cuántica de la luz es una historia con muchas curvas (os dejamos estos vídeos por si os interesa), pero la movida es que si uno baja lo suficiente la intensidad de la luz, empieza a comportarse de forma rara. Lo que uno esperaría con un detector es seguir captando esa tenue onda que le llega. Pero lo cierto es que, si el detector es lo bastante preciso, en cierto punto comienza a “chasquear”.

En vez de una señal continua, detecta saltos, como si objetos puntuales estuvieran activando el detector Esto, con otras evidencias, nos lleva de nuevo a Newton: es como si la luz tuviera un “átomo”, un constituyente irrompible: una partícula. Al principio se llamaban “cuantos” (¡de ahí deriva la palabra cuántica! ) aunque con el tiempo acabó con el nombre de fotón, del griego phōs, luz.

Pero, espera, ¿cómo es posible que los experimentos clásicos nos digan que la luz es una onda pero resulte que está formada por partículas? ¿no es esto contradictorio? Se tuvo que esperar a tener la mecánica cuántica desarrollada para responder a esta pregunta.

Hemos hablado de las reglas cuánticas montones de veces en este canal, pero dejadme que me repita. Los objetos cuánticos no tienen porqué tener sus propiedades definidas. Sin ir más lejos, los electrones que forman los enlaces de nuestras moléculas parecen no estar en ningún lugar específico del espacio ni moverse a una velocidad concreta.

Son propiedades indeterminadas. Bien, pues a los fotones les pasa lo mismo con la trayectoria que siguen. Imaginad que tuviéramos un foco de luz y un detector.

La naturaleza cuántica nos dice que un fotón llegará al detector de montones de formas a la vez, no solo en línea recta, sino también de otras totalmente estrambóticas. Entonces, ¿por qué vemos rayos de luz y no toda esta mezcla? Toca hacer un cálculo cuántico en vivo y en directo.

Atentos, veréis como cobra todo sentido. Cada una de estas trayectorias tiene una flecha asociada, que llamamos una Amplitud de Probabilidad. La flecha gira mientras el fotón recorre la trayectoria y tal como ha quedado al final del viaje es la amplitud de probabilidad de la trayectoria.

Pregunta: ¿cuál es la probabilidad de que un fotón salga del foco y acabe en el detector? La cuántica nos dice que, primer paso, sumemos las amplitudes; cojamos todas las flechas y las pongamos una a una punta a punta, de modo que podamos trazar una línea desde la primera flecha hasta la última. Segundo paso, cogemos esa longitud y montamos un cuadrado con ella.

El área de ese cuadrado es la probabilidad que estamos buscando. Este procedimiento es un poco “lol”; es normal no entender por qué seguimos estos pasos. Pero la cosa es que funciona.

Mirad: si os fijáis en los extremos de la suma de flechas están todas las amplitudes de las trayectorias rarunas. Como son todas diferentes, lo único que hace esta suma es dar círculos; el cachito de longitud que crean va ser muy pequeño. Va a aportar muy poco a la longitud total.

Quienes están poniendo realmente el grueso son las amplitudes del centro; al estar más o menos alineadas suman un montón y son lo que hacen mayoritariamente que la probabilidad sea no nula. Es decir, son las responsables de que la luz se mueva de un sitio a otro. Y ¿ cuales son esas trayectorias?

Estas. El motivo por el que no vemos cosas raras cuando tenemos montones y montones de fotones es porque las trayectorias locas se cancelan unas a otras, interfieren destructivamente, mientras que las centrales se amplifican, interfieren constructivamente. Esta es la explicación cuántica de por qué la luz sigue una línea recta.

Otro ejemplo: imagina que entre los detectores colocamos dos bloques opacos. Ahora montones de trayectorias (y por tanto amplitudes) se han quedado fuera de la suma, solo están permitidas las que pueden pasar por el agujero del medio. Pongamos un segundo detector aquí.

¿Qué probabilidad hay de que se encienda? Tracemos las trayectorias, saquemos sus amplitudes, juntémoslas y… Vaya, hay flechas tan diferentes que el resultado es una probabilidad muy bajita. Si tiro muchos fotones, pocos van a llegar y voy a tener un resultado oscuro.

Pero, ¿qué pasaría si acercara los bloques? Ahora trayectorias que considerábamos no son posibles, por lo que tengo quitar sus flechas de la suma. Pero precisamente eso ha hecho que el círculo no esté tan cerrado, lo que hace que la probabilidad haya crecido.

Si tiro ahora muchos fotones el detector va a detectar más luz que antes, solo por haber acercado los bloques. Esta es la explicación cuántica de que la luz difracte. Solo una más: la doble rendija.

Aquí la cosa es un poco más sencilla, la luz solo tiene dos caminos para llegar a la pantalla, el detector. Ahora, dependiendo del punto que elijas los resultados van a ser distintos. En el punto central los dos caminos son idénticos, por lo que ambas amplitudes van a estar perfectamente alineadas y habrá una buena probabilidad de que los fotones acaben aquí.

Pero mientras nos vamos moviendo las cosas cambian, las flechas se desalinean y la probabilidad baja. Estas son las zonas oscuras del patrón. Pero, claro, las flechas siguen girando y en cierto punto remontan, volviendo a alinearse y subiendo la probabilidad.

Esta es la explicación cuántica del patrón de interferencia que produce la luz. Richard Feynman se pasa todo un libro poniendo ejemplos de este tipo para convencerte de que la luz no es una onda, es que las reglas detrás de la luz (con su rollo cíclico, amplitudes que se suman, se anulan. .

. ) son las que son comportan como una onda. La luz parece una onda en nuestra escala porque tenemos chorrocientos fotones revelando visualmente su comportamiento cuántico.

No son los fotones los que hacen a la luz ondular, es realmente su naturaleza cuántica. Newton estaría orgulloso. Sin embargo, y a pesar de que esto deja las cosas medio claras, el debate no paró… La nueva fuente de discordia fue este inocente experimento: una lámpara emite un haz de luz.

Con una corriente eléctrica, se excitan los átomos de la lámpara para que emitan un buen chorro de fotones, cada uno de su padre y de su madre. El haz se divide en dos haciéndolo pasar por un divisor, y se lo lleva a dos detectores diferentes, que podemos alejar y acercar lo que queramos. Los colocamos de forma aleatoria, encendemos el bicho y empezamos a ver cómo llegan los fotones.

El resultado es esperable: algunos fotones llegan a uno de los detectores y el resto al otro. Sin embargo, cuando los dos detectores están a la misma distancia del divisor, ocurre que los “chasquidos” se sincronizan. Casi siempre que llega un fotón a un detector, llega otro al otro detector.

¡Están correlacionados! Y esto no tiene ningún sentido: los fotones provienen de una fuente caótica de luz, donde cada fotón emitido no tiene nada que ver con el anterior. No están coordinados de origen y sin embargo llegan a la vez.

Este es el efecto Hanbury Brown y Twiss. Y lo irónico es que es sencillísimo de explicar pensando que la luz es una onda. La lámpara emite una onda electromagnética, el divisor la rompe en dos ondas iguales y los detectores reaccionan de igual manera a las subidas y bajadas de la onda.

De hecho, Hanbury Brown y Twiss habían usado este razonamiento con las ondas de radio para mejorar técnicas astronómicas con mucho éxito. Fue cuando lo llevaron al óptico y con pocos fotones, cuando la gente se quedó a cuadros. A muchos les costó aceptarlo.

Sin haberlos preparado previamente, ¿por qué existe esta tendencia de los fotones de llegar a la vez? La respuesta estaba en otra cara cuántica de la luz. Y es que unos de los grandes descubrimientos tardíos de la cuántica fue la indistinguibilidad de las partículas elementales.

Imagina que tuvieras dos electrones y quisieras seguirles la pista haciéndoles fotos, mientras ellos se mueven por el espacio. El procedimiento parece simple en papel: solo tienes que etiquetarlos en cada foto. Cuantas más rápidas tomes las fotos menos se habrá movido el electrón y más fácil podrás seguir la ruta que llevan, teniéndolos así identificados en todo momento.

Sin embargo, lo que te encuentras es distinto: los electrones no parecen seguir ninguna trayectoria, saltan de un lado a otro sin parar. Piensas que puede ser porque no tomas fotos lo bastante rápido, pero lo vuelves a intentar y ocurre lo mismo. Ya no puedes seguirle la pista a los electrones ¿se habrán cruzado tal vez aquí?

¿Este será el 1 o el 2? Estás sufriendo la naturaleza cuántica: entre cada foto sus posiciones están indefinidas, y a cada vez que haces “click” les fuerzas a que se definan en un cierto lugar. Pero en ese lapso de tiempo en el que los electrones están indeterminados sus identidades también lo están.

No es que nosotros tengamos un problema averiguando dónde está el electrón 1 o el 2, es que intrínsecamente no hay electrón 1 y 2. Hay una realidad: que hay dos electrones. Pero ninguno tiene identidad propia.

No tienen una historia detrás que los diferencia. Es decir, que de forma fundamental son indistinguibles. A los fotones les ocurre lo mismo.

De hecho, son un tipo concreto de partícula indistinguible que se llama bosón. Esta particularidad es lo que produce el efecto Hanbury Brown y Twiss. Pensemos en dos fotones que son emitidos por la lámpara.

¿Qué probabilidad hay de que los dos fotones lleguen a la vez? Si pensáramos que diferenciar dos fotones es muy difícil, pero no hemos caído en esta indistinguibilidad cuántica superprofunda, seguiríamos el hilo habitual: El fotón 1 tiene sólo una trayectoria para llegar al detector de arriba (lo mismo para el fotón 2). Así que cogemos sus amplitudes, obtenemos las probabilidades y simplemente las multiplicamos: la probabilidad de que pasen las dos cosas a la vez.

También podría pasar que el fotón 2 vaya a arriba y el fotón 1 abajo, por lo que haríamos un cálculo similar. La suma de las dos probabilidades es la probabilidad de que los dos fotones lleguen a la vez. Pero es que estas partículas son indistinguibles a nivel fundamental.

No existe el fotón 1 y el fotón 2. Lo que existen son dos fotones, con dos trayectorias para el detector de arriba y dos trayectorias para el detector de abajo. Solo hay que seguir las reglas: coge las amplitudes de las trayectorias que conectan los dos puntos (¡en este caso dos!

) y sumalas. De esa suma obtén la probabilidad. Como véis 4 veces superior que si las partículas hubieran sido indistinguibles.

Y al ser más probable es lo que observamos en los experimentos. Una vez más la interferencia constructiva es lo que explica un fenómeno que parece ondulatorio. Y, de hecho, algo parecido es lo que hace que funcione un láser.

Cuando los excitados átomos del láser van a emitir un fotón, lo hacen con exactamente las mismas propiedades que el resto de fotones que pululan cerca. ¿Por qué? Por el mismo motivo que llegaban a la vez: porque las amplitudes de esas situaciones físicas se suman y las hacen muchísimo más probables que otras.

Es la extraña naturaleza indistinguible de los fotones lo que hace que la luz monocromática y casi perfecta del láser exista. Partículas indistinguibles que siguen las ondulatorias reglas de la cuántica. ¿Eso es todo?

Dejadme una pincelada más. Porque hablar en términos de onda o partícula es limitarse. Ya hablamos de esto en el vídeo sobre la dualidad onda-partícula; estamos usando palabras de nuestro mundo cotidiano para describir algo que no pueda ponerse en esos términos, que sea más complejo.

Y me temo que este es el caso: ¿recordáis al campo electromagnético, que nos dejamos olvidado allí atrás? Bien, pues cuando los físicos lo obligaron a seguir las reglas cuántica, vieron que las perturbaciones que se propagaban (podríamos decir unas ondas electromagnéticas pero cuánticas) tenían el mismo comportamiento que uno esperaba de los fotones (que producirlos cueste una cantidad exacta de energía, que un fotón a baja energía no interactúe con otro fotón. .

. ). Este elemento es el que me faltaba: los fotones son la consecuencia de tratar al campo electromagnético de forma cuántica.

Así que, ¿qué es la luz? La luz son las perturbaciones que se propagan en el campo electromagnético (un campo cuántico). Estas perturbaciones tienen todas las bondades de las partículas, salvo que tienen que obedecer las reglas cuánticas.

Cuando muchísimos fotones se ponen juntos, esta naturaleza cuántica se ve evidente en su comportamiento ondulatorio y todas las leyes clásicas del electromagnetismo surgen. Pero, aunque hayamos resuelto el misterioso origen de la luz, quedan montones de aspectos chulos por explorar. El experimento de Hanbury Brown y Twiss nos enseñó una manera nueva de mirar a la luz a través de sus correlaciones, y abrió la puerta a fenómenos que jamás podríamos haber soñado en el mundo clásico.

El estudio de estos fenómenos inherentemente cuánticos en la luz se llama óptica cuántica, y es una de las ramas de investigación en el IFIMAC. Un ejemplo de uno de estos efectos con los que se deleitan los ópticos cuánticos es el “antiamontonamiento” de fotones, un efecto opuesto al de Hanbury Brown y Twiss que se puede observar en su mismo experimento. Consiste en “tunear” a los fotones para que no quieran llegar juntos a los detectores.

Su demostración supuso la primera observación en la historia de fotones individuales, algo que a los amantes de la computación y las comunicaciones cuánticas les interesa mucho. Este es solo uno de los muchos ejemplos en los que la luz se comporta de maneras que son totalmente imposibles desde el punto de vista clásico. Para conseguir este tipo de comportamientos inherentemente cuánticos en la luz, se suelen usar, primero, estructuras artificiales que permiten atrapar la luz.

Estas estructuras se llaman “cavidades”, y pueden ir de algo tan simple como dos espejos enfrentados, a algo tan complicado como un cristal fotónico, estructuras periódicas que encierran a la luz mediante interferencia. Después se hace que esta luz interactúe fuertemente con la materia. Dentro de estas cavidades se pueden colocar, por ejemplo, átomos individuales atrapados con campos electromagnéticos, o puntos cuánticos, estructuras semiconductoras muy pequeñas donde los electrones están tan confinados, que actúan como átomos artificiales.

Esta interacción da lugar a nuevos estados muy exóticos, mezclas de materia y luz. Hace que la luz que al final se “escapa” de la cavidad, lo haga con propiedades cuánticas muy extrañas, que se pueden desvelar como patrones de coincidencia inusuales en el experimento de Hanbury Brown y Twiss. Los investigadores tienen mucho campo para jugar aquí, cambiando propiedades como la frecuencia de resonancia de las cavidades, la energía de transición de los átomos, o la intensidad y el color de los láseres con los que pueden excitar todo el sistema.

Para daros un ejemplo: científicos del IFIMAC mostraron teóricamente cómo, utilizando este tipo de trucos, uno puede crear un tipo de luz totalmente nueva… Una luz compuesta por fotones agrupados en “paquetes”, es decir, emitidos únicamente de 2 en 2, o de 3 en 3, etc, algo que llamaron un “empaquetador” de fotones. Este nuevo tipo de luz podría tener aplicaciones interesantes en el campo de la microscopía multifotónica. Os cuento: quieres observar un tejido que está vivo.

El plan: introduces en ellos pequeñas partículas fluorescentes que absorben luz, y luego la re-emitan a una frecuencia diferente. Observando esta luz emitida, se puede reconstruir una imagen del tejido. Problema: los fotones que hay que enviar para activar las partículas son demasiado energéticos, podrían dañar el tejido que queremos ver.

Solución: no enviar un fotón muy energético, si no varios a medio gas. Esto se hace en la microscopía multifotónica, se ilumina con luz de frecuencia más baja, con la esperanza de que, de vez en cuanto, lleguen varios fotones a la vez, y puedan excitar a la partícula de forma conjunta. Menos daño y mayor penetración en el tejido.

Bien, pues con el “empaquetador” ya no tienes que esperar que esto suceda por casualidad: los fotones siempre viajan juntos, lo que nos permitirá ser mucho más eficientes. Los extraños comportamientos cuánticos al servicio de la investigación biológica. En definitiva: la luz, sea una partícula o sea una onda, no para de dar sorpresas a los investigadores, sobre todo cuando miramos a su cara más cuántica.

¡Esto es todo por hoy! Nos vemos muy pronto con un poquito más de ciencia. Y como siempre, muchísimas gracias por vernos.