ATRAPAR UN FOTÓN

1. ATRAPAR UN FOTÓN Juan José Suárez Menéndez IES “Pando” de Oviedo

2. ATRAPAR UN FOTÓN • La naturaleza de la luz ha interesado siempre al hombre. • Responder, por ejemplo, que la luz está compuesta de fotones, no es responder; a menos que ya estuviéramos de acuerdo en el significado de la palabra fotón.

3. ATRAPAR UN FOTÓN • Un fotón no es un objeto que pertenezca a nuestra experiencia ordinaria, como una pelota, ni como ninguna otra cosa conocida por todos.

4. ATRAPAR UN FOTÓN • El concepto del fotón se desarrolló intentando explicar fenómenos luminosos muy diversos, algunos de ellos en aparente contradicción, a partir de hipótesis simples. • El concepto de fotón es el resultado de la evolución de nuestras ideas sobre la naturaleza de la luz, y con él podemos explicar, sin contradicciones, todos los fenómenos luminosos conocidos.

5. ATRAPAR UN FOTÓN • Un fotón no se parece a ningún objeto de nuestra experiencia común. No es como una pelota, ni como una canica, ni tampoco como las ondas sonoras; aunque en algunos fenómenos ciertos aspectos de su comportamiento son como los de las partículas materiales y en otros como los de las ondas.

6. ATRAPAR UN FOTÓN • La representación de una idea en forma de imágenes de objetos conocidos no es esencial para la ciencia, lo importante es que con esa idea podamos describir los fenómenos. • Las ideas sobre la luz han dependido de los fenómenos luminosos que se ha pretendido explicar con ellas.

7. ATRAPAR UN FOTÓN • Cuando se conocían sólo los fenómenos luminosos más comunes, las ideas sobre la naturaleza de la luz eran muy simples; pero a medida que se fueron conociendo fenómenos luminosos más complejos, esas ideas cambiaron para adaptarse a los fenómenos ya conocidos y a los nuevos dentro de una misma teoría.

8. ATRAPAR UN FOTÓN • No es posible comprender las ideas modernas sobre la luz sin conocer los fenómenos luminosos que les dieron origen.

9. ATRAPAR UN FOTÓN • En este tema se desarrollan las ideas sobre la luz a partir de la discusión de algunos de los fenómenos y experimentos más importantes sobre ella; desde las primeras ideas griegas acerca de la luz hasta las contemporáneas, en las que intervienen fenómenos a escala atómica y el concepto del fotón.

10. Los rayos táctiles • En tiempos anteriores a la antigua civilización griega, las ideas sobre la naturaleza de la luz estaban llenas de misterio. • Además, no se mantenían por mucho tiempo: desaparecían y regresaban en forma apenas diferente.

11. Los rayos táctiles • De los antiguos griegos vienen las primeras ideas útiles sobre la luz y, posiblemente por esto, se sostuvieron durante siglos. • Los griegos no distinguían claramente la luz de la vista y basaban sus ideas sobre ambas en la hipótesis de los rayos visuales táctiles atribuida a Pitágoras.

12. Los rayos táctiles • Según esta hipótesis, el ojo emite rayos rectos infinitamente tenues que al ser interrumpidos por los objetos producen la sensación de ver. • Estos rayos táctiles deberían ser rectos para explicar la propagación rectilínea de la luz; o sea, para explicar el hecho de que podemos ver a través de un tubo sólo si éste es recto.

13. Los rayos táctiles • La propagación rectilínea de la luz se puede demostrar con este sencillo experimento. La vela se ve por el tubo sólo si está derecho.

14. Los rayos táctiles • La percepción por medio de esos rayos visuales sería, pues, análoga a la percepción táctil cuando utilizamos brazos y manos para discernir la forma y el tamaño de los objetos. • Un objeto grande separaría más los rayos táctiles que un objeto pequeño y esta mayor separación angular de los rayos produciría en la mente la sensación de mayor tamaño del objeto más grande.

15. La hipótesis de los rayos visuales de Pitágoras suponía que éstos eran emitidos por los ojos y al ser interrumpidos por los objetos producían la sensación de ver. El tamaño de los objetos se percibía por la separación anular de los rayos interrumpidos

16. La hipótesis de los rayos táctiles explicaba también la aparente disminución de tamaño de un objeto al alejarse, ya que los rayos táctiles interrumpidos por el objeto formarían un ángulo menor y menor, hasta reducirse a cero, al alejarse el objeto del observador.

17. Esto explicaría por qué las líneas paralelas que se alejan indefinidamente parecen converger en un punto; el que posteriormente se llamaría "punto de fuga" por los artistas del Renacimiento.

18. Las líneas paralelas que se alejan indefinidamente parecen converger hacia un punto del horizonte que posteriormente se llamó "punto de fuga".

19. Conforme a esta hipótesis la disminución del tamaño aparente estaría en la misma proporción que el aumento en la distancia; esto es, si la distancia aumentara dos veces, el tamaño aparente disminuiría también dos veces. • Como esto es precisamente lo que ocurre al tamaño aparente al aumentar la distancia, la hipótesis de los rayos táctiles se veía apoyada por la experiencia; al menos por esta experiencia.

20. La hipótesis de los rayos táctiles era útil porque relacionaba matemáticamente el tamaño aparente y la distancia, y pudo emplearse en muchas actividades prácticas como el diseño y la proyección de obras de arquitectura o de ingeniería.

21. Pero más importante para los griegos resultó su aplicación a la astronomía para calcular distancias y tamaños de cuerpos celestes; por ejemplo, para calcular el diámetro del Sol.

22. Estas aplicaciones a la astronomía les permitieron formarse una idea del tamaño del Universo apoyada en observaciones y —sobre todo— apoyada en la geometría, que era la ciencia perfecta de la cultura griega.

23. Todo esto debe haber contribuido a que la hipótesis de los rayos visuales táctiles fuera aceptada hasta por el mismo Euclides, el creador de la geometría, y que perdurara unos 1.500 años sin ser seriamente cuestionada.

24. Los rayos luminosos • LA TEORÍA pitagórica de los rayos táctiles prevaleció más de 1 500 años.

25. Los rayos luminosos • Esta larga vida de una teoría tan ingenua se debió a la falta de una experimentación rigurosa que la pusiera a prueba, porque en realidad no resiste el menor contraste experimental.

26. Los rayos luminosos • La hipótesis de los rayos táctiles que emanaban del ojo fue derrumbada de golpe por un extravagante científico árabe llamado Abu Ali ibn al-Hasan ibn al-Haitham, nacido en Basra, Irak, alrededor del año 965 d.C., fallecido en El Cairo, Egipto, el año 1039 y conocido después simplemente como Alhazán.

27. Los rayos luminosos • Este singular personaje llegó a Egipto en 996 d.C., contratado por el califa Al-Hakim para controlar las inundaciones del río Nilo, cosa que Alhazán se jactaba públicamente de poder hacer sin gran dificultad. • Incapaz, sin embargo, de cumplir su irreal promesa y justamente temeroso de la ira del califa, Alhazán fingió demencia, hasta el fallecimiento del califa el año de 1021, para evitar la pena de muerte por su fracaso.

28. Los rayos luminosos • A pesar de sus problemas con el río Nilo y con el califa Al-Hakin, Alhazán pudo hacer un importante trabajo de investigación en la óptica, o ciencia de la luz. • En su principal obra, titulada Kitab al-Manzir en árabe y traducida al latín como Opticae Thesaurus, Alhazán demuestra que la visión no puede deberse a rayos que partan del ojo al objeto, sino del objeto al ojo. • De esta manera, distinguió claramente la luz del sentido de la vista.

29. Los rayos luminosos • Un sencillo experimento que demuestra esto es el muy conocido de producir fuego enfocando por medio de una lupa la imagen del Sol sobre un papel.

30. Los fenómenos ópticos importantes en el silo XIII. La propagación rectilínea de la luz, la reflexión de imágenes en espejos, la refracción de la luz en agua, el poder calorífico de los rayos solares concentrados por una lente y la aparición del arco iris.

31. Los rayos luminosos • Si los rayos táctiles existieran, la imagen del Sol sobre el papel resultaría de rayos visuales que de alguna manera se habrían reflejado en el papel, pasado por la lente y alcanzado el Sol.

32. Los rayos luminosos • El papel, por lo tanto, no debería inflamarse si cerráramos los ojos o miráramos para otro lado mientras se mantiene la imagen enfocada.

33. Los rayos luminosos • Pero el papel sí se inflama si la lupa se mantiene a la distancia adecuada del papel, hagamos lo que hagamos; de manera que la imagen se forma por algo que llega del Sol, y no de nuestros ojos, al papel.

34. Los rayos luminosos • Otro experimento que también demuestra la existencia de la luz independientemente del sentido de la vista es la formación de imágenes en el sencillo instrumento llamado "cámara oscura".

35. La cámara oscura forma sobre una pantalla imágenes invertidas de los objetos situados frente a su pupila. Esto demuestra que la hipótesis de los rayos visuales es falsa.

36. Los rayos luminosos • La cámara oscura emplea un pequeño orificio para producir una imagen de un objeto externo sobre una pantalla colocada en un cuarto oscuro o en una simple caja de cartón.

37. Los rayos luminosos • La imagen que se observa es siempre invertida y esto no se puede explicar con los rayos táctiles, porque el objeto podría verse sobre la pantalla, desde el interior de la cámara sólo si estos rayos se reflejaran en la pantalla y salieran por el orificio.

38. Los rayos luminosos • Según la teoría de los rayos tactiles percibiríamos el objeto igual que si lo viéramos directamente; esto es, lo veríamos derecho y no invertido.

39. Los rayos luminosos • Sin embargo, si suponemos que cada punto del objeto externo emite rayos rectos en todas direcciones, aquellos que partiendo de un punto en la parte superior del objeto pasaran por el orificio producirían un pequeño punto luminoso de la imagen en la parte inferior de la pantalla.

40. Los rayos luminosos • La imagen completa estaría invertida, y esto es precisamente lo que se observa. • Sirviéndose de estos y de otros experimentos, Alhazán eliminó para siempre de la ciencia de la luz la hipótesis pitagórica de los rayos táctiles; aunque todavía usemos expresiones, como "echar una mirada", que nos la recuerdan.

41. LA ÓPTICA GEOMÉTRICA • La suposición de que cada punto de un objeto luminoso o iluminado emite rayos rectos de luz en todas direcciones es la hipótesis principal de una teoría de la luz extraordinariamente fructífera que, hasta la fecha, se llama óptica geométrica. • El nombre se debe a que en esta teoría la naturaleza de los rayos luminosos no se cuestiona; ni siquiera es importante.

42. LA ÓPTICA GEOMÉTRICA La hipótesis básica de la óptica después de Alhazán: Cada punto de un objeto luminoso emite rayos rectos de luz en todas direcciones.

43. LA ÓPTICA GEOMÉTRICA • El propósito de la teoría es solamente entender, o predecir, lo que ocurre a los rayos emitidos por los objetos cuando son interceptados por diversos objetos opacos, como en la cámara oscura, o desviados de su camino recto de maneras que veremos enseguida. • Como para esto solamente es necesario aplicar conocimientos de geometría a cada problema, el nombre de la teoría es óptica geométrica.

44. LA ÓPTICA GEOMÉTRICA • Trazando sobre un esquema algunos sencillos rayos rectos se encuentran fácilmente las regiones de sombra producidas por un cuerpo opaco iluminado por cuerpos luminosos. • Estas regiones se llaman, en general, la "sombra geométrica" del cuerpo. Por ejemplo, una esfera iluminada por un solo punto luminoso produce un solo cono de oscuridad total, llamado umbra, a donde no llega ningún rayo emitido por el punto luminoso.

45. LA ÓPTICA GEOMÉTRICA • La óptica geométrica explica la forma de la sombra producida por un cuerpo opaco. Esta región se llama sombra geométrica. En la figura es el cono formado por las tangentes de la esfera. A esta zona no llega ningún rayo de luz; se llama "umbra".

46. LA ÓPTICA GEOMÉTRICA • Este cono lo forman las tangentes a la esfera desde el punto luminoso. Fuera de él la luz llega a todas partes. • Pero si la esfera opaca está iluminada por una esfera luminosa, además del cono de oscuridad total limitado ahora por las tangentes exteriores a las dos esferas, se produce una zona sólo parcialmente oscura a la que llega luz de algunas partes de la esfera luminosa.

47. LA ÓPTICA GEOMÉTRICA • Esta zona se llama penumbra (casi sombra) y está limitada por la umbra y por el cono formado por las tangentes interiores a las esferas. • Estas zonas se observan claramente durante los eclipses lunares. • La Luna adquiere un color rojo cobrizo cuando está en la región de penumbra y se oscurece casi completamente en la región de umbra.

48. LA ÓPTICA GEOMÉTRICA • En la figura, la umbra es el cono formado por las tangentes exteriores a las dos esferas; fuera de ésta hay una zona donde llega luz, pero sólo de algunas partes del objeto luminoso. Esta región, llamada prenumbra, está incluida entre la umbra y el cono de las tangentes interiores a las dos esferas.

49. LA ÓPTICA GEOMÉTRICA • La cámara oscura es un ejemplo interesante de aplicación de la óptica geométrica. • Si en un diagrama trazamos las imágenes de un mismo objeto colocado a distintas distancias de la cámara, encontramos fácilmente que el tamaño de la imagen disminuye en la misma proporción que aumenta la distancia.

50. LA ÓPTICA GEOMÉTRICA • Esto es, la relación del tamaño de la imagen con la distancia es la misma que en el caso del tamaño aparente en la teoría de los rayos táctiles. • Esto sugiere que el ojo funciona como una cámara oscura.