2015, any de la llum

La celebració remarca la importància que la llum i les tecnologies derivades de l'ús de les seues propietats tenen al món actual
21 febrer 2015 01:00h
Eugenio Roldán i Germán de Valcárcel, catedràtics del departament d'Òptica de la Universitat de València
 
Uns descobriments que ens transporten des de fa un miler d'anys, amb Alhazen, el persa precursor del mètode científic que ell aplicà sobretot a l'òptica, fins la culminació per Albert Einstein de la seua teoria de la Relativitat, fa justament cent anys. I, entremig, les genials descobertes de Fresnel i Maxwell. I dos epílegs fascinants: fa 50 anys es publicà el descobriment de la radiació còsmica de microones, l'autèntica alba del cosmos, la llum romanent del ‘Big Bang’; i fa també 50 anys que el primer sistema operatiu de transmissió basat en fibra òptica va ser demostrat als laboratoris Telefunken.

La celebració remarca la importància que la llum i les tecnologies derivades de l'ús de les seues propietats tenen al món actual, la presència de la qual és palesa en la mateixa vida quotidiana. Als tradicionals instruments òptics (lupes, ulleres, lents, microscopis, telescopis, etc.), cal sumar-hi els làsers i les fibres òptiques, presents en reproductors i lectors òptics, comunicacions òptiques, cirurgia, tall i soldadura, i tantes altres aplicacions. I si la llum és tan present en el món quotidià, no cal dir res més de la seua importància en la frontera de la ciència en la qual als laboratoris de biologia es fa ús de pinces òptiques… fetes només de llum!, o s'atrapen àtoms i molècules individuals per refredar-los fins les temperatures més baixes mai aconseguides en un laboratori mitjançant feixos de làser, de manera que així es poden crear nous estats de la matèria, com els condensats de Bose-Einstein. Però no sols això, també s'usa la interacció controlada d'aquests àtoms o molècules refredats amb feixos de llum amb propietats quàntiques que han estat acuradament manipulades per així poder implementar protocols d'informació quàntica, aquesta nova ciència que està revolucionant els nostres conceptes sobre la computació i que ja està influint en el camp de la criptografia. Més encara, aquesta capacitat nova d'observar la interacció de sistemes microscòpics aïllats (àtoms individuals, fotons individuals que poden ser manipulats controladament) permet posar a prova la nostra mateixa comprensió de la teoria quàntica, la teoria més transcendental que els humans han creat, portant al laboratori experiments que els seus fundadors només podien imaginar: Fins i tot el “gat de Schrödinger” mateix ha pogut ser observat –en forma d'àtom, això sí!

UN/UNESCO International Year of Light 2015 Final Official Trailer from Nickolas Barris on Vimeo.
 

La data triada, 2015, respon a la commemoració no d'un sinó de quatre fets científics d'importància cabdal, tots els quals relacionats amb la llum. Repassem-los, començant pels tres més recents. Fa dos-cents anys el científic francès Augustin Fresnel (1788-1827) va formular la teoria ondulatòria de la llum, teoria que continuem ensenyant en els cursos universitaris encara huui dia, ja que és bàsicament correcta en la major part de les ocasions. La teoria de Fresnel incorporà i superà la teoria geomètrica vigent fins llavors i va aclarir definitivament que la llum és un fenomen ondulatori, de manera que des d’aleshores es va abandonar la teoria emissionista de Newton. En aquesta teoria ondulatòria, la llum resulta que és la manifestació de les pertorbacions de l'èter lluminós, les quals es propaguen com a ones transversals en aquest medi, l'èter, al qual s'han d'atribuir una sèrie de propietats mecàniques que en fan una cosa insòlita. Cinquanta anys més tard −en fa, per tant, 150−, el científic escocès James Clerk Maxwell (1831-1879), un dels més grans científics del segle XIX, al costat de Michael Faraday, Charles Darwin i Louis Pasteur, formulà la teoria electromagnètica que porta el seu nom i amb la qual es podia justificar tota la teoria de Fresnel. Així, en la teoria maxwel·liana la llum és una ona electromagnètica que es propaga en l'èter electromagnètic, en realitat, el vell èter de Fresnel amb noves atribucions. El que Maxwell aconsegueix és fer de la llum un fenomen electromagnètic més, aclareix definitivament la seua naturalesa i permet donar una descripció quantitativa de la seua interacció amb la matèria fins a nivells mai aconseguits fins llavors.

Cinquanta anys més tard −això és, en fa cent−, Albert Einstein (1879-1955) culminaria l'edifici de la teoria de la Relativitat, en el qual la llum ocupa un lloc central, ja que la seua velocitat en el buit és una constant universal amb un valor que no pot sobrepassar cap senyal que porte informació. La teoria d'Einstein, a més, elimina de la física l'èter i demostra la seua irrellevància per a comprendre els fenòmens electromagnètics i gravitatoris: les ones electromagnètiques no requereixen cap mitjà material per a propagar-se; fins i tot en el buit ho fan. Einstein culminava així la teoria que havia començat en 1905, deu anys abans, any en el qual també va proposar la teoria quàntica de la llum i l'efemèride de la qual es va celebrar en 2005 amb l'Any Internacional de la Física. Potser podríem afegir que fa cinquanta (i un) anys, en 1964, Arno Penzias i Woodrow Wilson detectarien la radiació còsmica de microones, ni més ni menys que la llum romanent del ‘Big Bang’; i també, com ja hem mencionat, la demostració als laboratoris Telefunken d'un sistema de transmissió de dades basat en fibra òptica pel físic Manfred Börner.

Per si la triple efemèride Fresnel-Maxwell-Einstein fos poc, existeix una quarta data a commemorar, potser la més important de totes, ja que marca el veritable inici de la ciència de la llum. Fa aproximadament mil anys −és difícil de precisar i aprofitarem el marge per justificar la celebració, un savi àrab d'origen persa concebia la primera teoria científica de la llum i la visió. Ibn al-Hàytham (c. 965 - c. 1040) va concebre la llum com una substància formada per raigs emesos pels cossos lluminosos, raigs que es multipliquen durant la propagació pels mitjans transparents. Aquests raigs es reflecteixen en incidir sobre els objectes, que resulten així il·luminats, i els raigs reflectits incideixen en els nostres ulls de forma tal que en el sistema visual es forma una rèplica de l'objecte il·luminat en què a cada punt de l'objecte correspon un únic punt de la rèplica, la qual és després transmesa al cervell pel sistema nerviós. No sols per enunciar tot això, que és bàsicament correcte, sinó per la multitud d'observacions experimentals, incloent-hi estudis pioners sobre les propietats del sistema visual humà (naixement de l'òptica fisiològica), per l'estil en la descripció de les observacions, per arribar a conclusions recolzant-se tan sols en la raó i la lògica i en l'observació acurada i mai en l'autoritat ni en la fe, per tot això el treball d’Alhazen –com se'l coneix a Occident– és el del creador de la ciència moderna de la llum i, a més, probablement, el del primer físic en el sentit actual del terme,  tot atenent la seua avançada concepció del mètode científic.

Les quatre efemèrides celebren gairebé tot el que es pot celebrar per a comprendre la posició actual de la llum en la ciència i la tecnologia. L'òptica d’Alhazen culminaria amb la formulació de l'òptica geomètrica per Kepler en 1603, amb la qual la instrumentació òptica podia avançar sobre bases fermes, com així ho va fer amb el disseny de lents i de microscopis i telescopis. L'òptica de Fresnel va permetre fer ús de la polarització i les propietats de difracció i interferència de la llum en multitud de nous instruments òptics que van portar a les tecnologies de metrologia òptica. La teoria de Maxwell va permetre comprendre gairebé completament la propagació, generació i detecció de les ones electromagnètiques en les quals es basa el nostre sistema de telecomunicacions. I la teoria d'Einstein permet la localització via satèl·lit, a més de constituir una peça central en la nostra concepció del cosmos mateix.

Per completar la història caldria commemorar el naixement de la teoria quàntica de la llum, ja que amb això estaríem celebrant una gran part del present i futur del paper de la llum en les noves tecnologies. Ja hem esmentat que el precís control de la interacció d'àtoms individuals, així com conjunts d'aquests, amb estats altament controlats de la llum permet la implementació de protocols quàntics, una de les noves fronteres de la ciència. Doncs bé, aquest precís control dels estats de la llum no hauria estat possible sense l'aparició de la teoria quàntica fa uns 90 anys, teoria estranya per a la nostra experiència quotidiana però de la qual es deriven gairebé totes les tecnologies del segle XX.

Tot l'anterior demostra que el valor potencial del coneixement quant a la seua aplicació tecnològica no és aparent fins que ha transcorregut un temps, que pot mesurar-se en decennis o segles en molts casos, des de la creació científica, així com el que podria semblar un debat gairebé bizantí (és la llum ona o raigs?; és la teoria quàntica una teoria completa o no ho és?) pot portar a descobriments fonamentals que acaben donant lloc a noves tecnologies. La ciència fonamental sustenta els avanços tecnològics del futur, sens dubte, i és potser per això que el que se celebra és la creació de tres teories físiques.

La llum, sense la qual ni tan sols la vida complexa que coneixem pot existir, font de gairebé tota la informació que percebem, tan important per a la nostra salut, sinònim de bellesa i manifestació del que la humanitat entén com a diví. Tan difícil d’aprendre i quina eina tan meravellosa. Bé mereix una celebració.

Subscriu-te al nostre butlletí per rebre les últimes novetats al teu correu.
next