2015 ha sido nombrado por la Asamblea General de la ONU el Año Internacional de la Luz y de las Tecnologías Basadas en la Luz. Indudablemente este año nos da otra ocasión para celebrar las contribuciones del físico más importante del siglo XX, y quizá de toda la historia.
El espectro electromagnético donde se indica la frecuencia de la luz y los nombres que recibe. También se indica la longitud de onda y la energía que le corresponde a un fotón con la frecuencia o longitud asociada. Los fotones de rayos gamma son los más energéticos, mientras que los fotones de radio son los de menor energía.
En 2005 celebramos el Año Internacional de la Física debido a que en 1905 Albert Einstein publicó cinco artículos revolucionarios, entre ellos uno que explicaba el efecto foto-eléctrico, otro donde explicaba el caso especial de su teoría de la relatividad y en otro mostraba la derivación de la famosa fórmula E = mc2, E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz. Estos tres artículos tienen mucho que ver con el fenómeno que conmemoramos en 2015. También celebramos el primer centenario de la publicación de la Teoría General de la Relatividad; 10 años de intenso trabajo de Einstein culminaron en esta teoría, la cual nos ha ayudado a entender el universo, dando paso a la cosmología física.
Einstein dijo que la luz tiene una velocidad finita y que es invariable para los observadores inerciales, es decir, en sistemas de referencia no acelerados. Si la velocidad de la luz es invariable para los observadores inerciales, entonces tenemos que comprometer a las distancias y al tiempo. Es decir, el tiempo se considera como una dimensión que está ligada a las otras dimensiones espaciales. Einstein introdujo por primera vez el concepto espacio-tiempo. Las mediciones de distancias y tiempo se vuelven relativas a los observadores. El tiempo debe transcurrir más lento para un observador que se encuentra en movimiento con respecto a un observador estacionario; pero las distancias aparecerán contraídas para un observador estacionario en la dirección del observador en movimiento.
Einstein demostró que existe una partícula fundamental que se mueve a la velocidad de la luz, pero que en reposo no tiene masa. Esta partícula la llamamos el fotón. En el siglo XIX, James Clerk Maxwell demostró que la luz era un fenómeno electromagnético. La luz, según Maxwell, es un fenómeno ondulatorio producido por la vibración un campo magnético y un campo eléctrico; las ondas electromagnéticas se mueven con una velocidad finita denotada por c (300 mil kilómetros por segundo).
Einstein se basó en el trabajo de Maxwell y extendió la teoría electromagnética para poder resolver el problema del efecto foto-eléctrico. Recurrió a las ideas de la mecánica cuántica, que en 1905 aún eran primitivas. Para explicar cómo es que la luz puede arrancar un electrón de una placa de material conductor, Einstein tuvo que abandonar la idea de que la luz es una onda y proponer que la luz está compuesta de partículas discretas, cuya energía depende de la frecuencia: E=hv, donde h es la constante de Planck, mientras que v es la frecuencia medida en ciclos por segundo. De esta forma se propone la dualidad de luz: bajo ciertas condiciones se comporta como onda y en otras como partícula. Mientras más intensa sea la energía, la luz se comporta como partícula. Con esto se puso el final a una controversia iniciada por Isaac Newton, que dijo que la luz estaba compuesta de corpúsculos, mientras que Christian Huygens decía que la luz era un fenómeno ondulatorio.
En Astronomía podemos medir las propiedades de los objetos celestes gracias al estudio de la luz que emiten. Hemos llegado a medir incluso la temperatura de todo el universo. Esta es una gran hazaña: ¿cómo es posible poner un termómetro a todo el universo?, el termómetro lo pone el universo, pues la luz que escapó cuando el universo se volvió transparente tiene una forma particular. Este tipo de luz ha sido estudiada exhaustivamente en los laboratorios desde el siglo XIX. Tiene un nombre particular, se le llama radiación de cuerpo negro.
Un cuerpo negro posee la particularidad de que sus paredes y la luz contenida en él están en equilibrio termodinámico, es decir, las propiedades de la luz emitida estarán determinadas en función de una temperatura única. Un horno de fundición o el alambre de tungsteno de los focos se pueden explicar mediante la teoría del cuerpo negro. Mientras más calientes, la luz emitida por ellos será más azul; si la temperatura es baja entonces la luz emitida será roja.
Los cuerpos negros no se pueden explicar con la teoría electromagnética de Maxwell. Max Planck tuvo que introducir la hipótesis cuántica para poder explicarlos. Esto marcó el inicio de la mecánica cuántica. En 2006 John Mather recibió el Premio Nobel de Física por demostrar que el universo emite como un cuerpo negro, con una temperatura de T= -270 grados Celsius. En 1917, cuando Einstein trató de explicar la radiación del cuerpo negro, tuvo que introducir el mecanismo de la emisión espontánea, el principio en el que se basa el láser. El primer láser fue construido por Theodore Maiman el 16 de mayo de 1960. Las estrellas en sus primeras etapas de formación pueden generar luz con las propiedades del láser: luz de una sola frecuencia y de gran brillo.
En el pasado, dependiendo de la frecuencia de la luz, se tenía que hacer una distinción de las técnicas empleadas para su detección y análisis. Por mucho tiempo solo se conoció la astronomía visible, la de la luz que pueden detectar nuestros ojos. Sir William Herschel introdujo la astronomía infrarroja en el siglo XIX; en el siglo XX Karl Jansky introdujo la radioastronomía, estudiando luz con las frecuencias más bajas. La luz más energética fue descubierta en la fisión nuclear; se le llamó rayos gamma. En la década de los 60 se inicia la astronomía de los rayos gamma.
La radioastronomía considera a la luz como onda; los detectores explotan las propiedades de las ondas; se puede hacer todo tipo de estudios aprovechando las propiedades de la refracción, reflexión, polarización e interferencia, como hacemos con la luz que ven nuestros ojos. Los rayos gamma se tratan como partículas; difícilmente se pueden enfocar.
En un aparato de radio podemos ver que las estaciones de AM vienen marcadas con kHz; éstos son miles de ciclos por segundo. Por ejemplo, Radio Fórmula trasmite con una frecuencia v=1120 kHz, pero en la Tierra ningún receptor puede captar ondas de radio con frecuencias menores de 30 kHz, el medio interplanetario impide que las ondas de radio provenientes del espacio penetren hasta la Tierra. En el otro extremo, en la región de los rayos gamma, los fotones con la más alta frecuencia que se ha detectado hasta el momento tienen frecuencias alrededor de 2 X 1028 Hz (un 2 seguido de 28 ceros, ciclos por segundo). Es el mismo fenómeno, es luz con diferentes frecuencias; a esta progresión le llamamos el espectro electromagnético.
En la actualidad tenemos ventanas de observación abiertas a casi todas las frecuencias. La distinción entre las técnicas de detección y los fenómenos asociados a la generación de la luz se ha vuelto tenue; hemos dado paso a la astronomía multifrecuencia. Los fenómenos en la naturaleza no distinguen entre radioastrónomos, astrónomos ópticos o astrónomos de rayos gamma; era una distinción artificial.
Nota: en este artículo todo ha sido referido a la frecuencia como una propiedad fundamental de la luz. Pero también se usa a la longitud de onda que se denota con la letra griega lambda (l). Se puede medir en cualquier unidad de longitud como metros, kilómetros o millas. Es la distancia que recorre una onda o vibración en un tiempo dado. La longitud de onda es inversamente proporcional a la frecuencia, la constante de proporcionalidad es la velocidad de la luz; por lo tanto l= c/v.
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