El universo elegante (20 page)

Esto coincide exactamente con los datos experimentales. La frecuencia de la luz (su color) determina la velocidad de los electrones emitidos; la intensidad total de la luz determina el número de electrones emitidos. Así, Einstein demostró que la intuición de Planck con respecto a la energía en paquetes refleja realmente una característica fundamental de las ondas electromagnéticas: están formadas por partículas —los fotones— que son pequeños paquetes, o
cuantos
, de luz. El hecho de que la energía contenida en estas ondas esté distribuida en paquetes, viene dado por el de que dichas ondas, a su vez, estén formadas por paquetes.

El planteamiento de Einstein representaba un gran avance. Sin embargo, como veremos ahora, esta historia no es tan sencilla y clara como podría parecer.

Todo el mundo sabe que el agua —y, por lo tanto, las ondas u olas que se forman en el agua— está compuesta por un enorme número de moléculas. Entonces, ¿es realmente sorprendente que las ondas de la luz estén compuestas por un enorme número de partículas, es decir, de fotones? Lo es. Pero la sorpresa está en los detalles. Hace más de trescientos años, Newton afirmó que la luz consiste en una corriente de partículas, por lo que la idea no es del todo nueva. Sin embargo, algunos de los colegas de Newton, sobre todo el físico holandés Christian Huygens, discreparon de esta idea y dijeron que la luz es una onda. Esto suscitó un apasionado debate, hasta que finalmente unos experimentos realizados por el físico inglés Thomas Young a principios del siglo XIX demostraron que Newton estaba equivocado.

Figura 4.3
En el experimento de la doble rendija, un rayo de luz se proyecta sobre una barrera en la que se han hecho dos rendijas. La luz que atraviesa la barrera se graba entonces en una placa fotográfica, cuando una de las rendijas está abierta o ambas lo están.

En la Figura 4.3 se ilustra esquemáticamente una versión del planteamiento experimental de Young —conocido como el experimento de la doble rendija—. Feynman solía decir que toda la mecánica cuántica se puede deducir reflexionando detenidamente sobre las implicaciones de este singular experimento, por lo que vale la pena comentarlo. Como vemos en la Figura 4.3, la luz se proyecta sobre una barrera sólida delgada en la que se han cortado dos rendijas. Una placa fotográfica graba la luz que pasa a través de las rendijas —las zonas más claras de la fotografía indican que ha incidido sobre ellas una mayor cantidad de luz—. El experimento consiste en comparar las imágenes de distintas placas fotográficas resultantes de mantener abiertas una o dos de las rendijas de la barrera cuando la fuente de luz está encendida.

Si la rendija de la izquierda está tapada y la de la derecha está abierta, la fotografía queda como se representa en la Figura 4.4.

Figura 4.4
La rendija derecha está abierta en este experimento, provocando una imagen sobre la placa fotográfica como la que se muestra.

Esto es lógico, porque la luz que llega a la placa fotográfica debe pasar a través de la única rendija abierta y, por consiguiente, se concentrará en la parte derecha de la fotografía. Similarmente, si la rendija de la derecha está tapada y la de la izquierda está abierta, la fotografía será tal como aparece en la Figura 4.5.

Figura 4.5
Como en la Figura 4.4, salvo que ahora es la rendija de la izquierda la que está abierta.

Si
ambas
rendijas están abiertas, la definición de la luz como partículas propuesta por Newton conduce a suponer que la placa fotográfica quedará como se ve en la Figura 4.6, es decir, una combinación de las Figuras 4.4 y 4.5.

Figura 4.6
La visión de la luz de Newton predice que cuando ambas rendijas están abiertas, la placa fotográfica será una mezcla de las imágenes en las figuras 4.4 y 4.5.

En esencia, si consideramos que los corpúsculos de luz de que habla Newton son como unos perdigones muy pequeños que disparamos a la pared, los que atraviesen la barrera se concentrarán en las dos áreas que están alineadas con las dos rendijas. Por el contrario, la definición de la luz como una onda nos lleva a una predicción muy diferente para explicar lo que sucede cuando las dos rendijas están abiertas. Analicemos esto.

Supongamos por un momento que en vez de ondas de luz utilizamos ondas en el agua. El resultado que obtendremos será el mismo, pero es más fácil pensar en el agua. Cuando las ondas acuáticas golpean contra la barrera, de cada rendija emergen ondas acuáticas que salen con forma circular, muy parecidas a las que se forman cuando arrojamos un guijarro a una charca, como se ilustra en la Figura 4.7. (Es sencillo intentar este experimento utilizando una barrera de cartón con dos rendijas introducida en una sartén con agua). Cuando las ondas que emergen de cada rendija se superponen, sucede algo bastante interesante. Si dos picos de las ondas se superponen, la altura de la onda acuática en ese punto aumenta: es la suma de las alturas de los dos picos. Si dos senos de las ondas se superponen, la profundidad de la depresión del agua en ese punto aumenta de una manera similar. Finalmente, si un pico de la onda que emerge de una rendija se superpone con un seno de la onda que emerge de la otra rendija,
se anulan mutuamente
. (De hecho, ésta es la idea en que se basan los estupendos auriculares de eliminación de ruido: miden la forma de la onda sonora que les llega y entonces producen otra cuya forma es exactamente la «opuesta», consiguiendo la anulación de ruidos no deseados). Entre estas superposiciones extremas —picos con picos, senos con senos, y picos con senos— hay una multitud de aumentos y anulaciones parciales de la altura. Si usted, junto con una multitud de personas, se alinea en pequeños botes paralelamente a la barrera y cada uno declara con qué ímpetu ha sido empujado por la onda acuática saliente cuando ésta pasa por la línea de embarcaciones, el resultado será parecido a lo que se muestra en el extremo derecho de la Figura 4.7. Los lugares en que se produce un empuje significativo son aquellos en que coinciden los picos (o los senos) de las ondas de cada rendija. Las zonas de mínimo o nulo empuje son aquellas en que los picos procedentes de una rendija coinciden con los senos procedentes de la otra; dando como resultado que picos y senos se contrarrestan.

Figura 4.7
Las ondas de agua circulares que emergen de cada rendija se superponen con las de la otra, causando que la onda total se incremente en algunos lugares y decrezca en otros.

Puesto que la placa fotográfica graba en qué medida «empuja» la luz que llega, exactamente el mismo razonamiento aplicado a la imagen de las ondas de un rayo de luz sirve para explicamos que, cuando ambas rendijas están abiertas, la fotografía será como la que se ve en la Figura 4.8. Las áreas más claras de la Figura 4.8 son las zonas en que coinciden los picos (o los senos) de las ondas luminosas procedentes de las rendijas. Las áreas oscuras son las zonas en que los picos de la onda que viene de una rendija coinciden con los senos de la onda procedente de la otra, dando lugar a una anulación. La sucesión de bandas claras y oscuras se conoce como
espectro de interferencias
. Esta fotografía difiere significativamente de la que se mostraba en la Figura 4.6, y por consiguiente hay un experimento concreto para distinguir entre las imágenes de la partícula y de la onda de luz. Young llevó a cabo una versión de este experimento y sus resultados encajaban con lo representado en la Figura 4.8, confirmando así la teoría de que se trata de una onda. La visión de Newton de la luz como corpúsculos quedó derrotada (aunque pasó bastante tiempo hasta que los físicos aceptaron esto). La idea prevalecedora, que es la de la luz como ondas, recibió posteriormente de Maxwell una fundamentación matemática firme.

Figura 4.8
Si la luz es una onda, entonces cuando ambas rendijas están abiertas habrá interferencia entre las porciones de la onda que emergen de cada rendija.

Pero Einstein, el hombre que echó a pique la tan reverenciada teoría de la gravedad de Newton, parece haber resucitado el modelo de la luz hecha de partículas de Newton, mediante la introducción de los fotones. Por supuesto, seguimos enfrentándonos a la misma pregunta: ¿cómo puede la perspectiva de la luz como partículas justificar el patrón de interferencias que se muestra en la Figura 4.8? A primera vista, podría usted plantear la siguiente sugerencia. El agua está compuesta por moléculas H
₂
O —las «partículas» del agua—. Sin embargo, cuando muchas de estas moléculas se desplazan conjuntamente, pueden producir ondas acuáticas con las subsiguientes propiedades de interferencia que se ilustran en la Figura 4.7. Así pues, podría parecer razonable intuir que las propiedades de la onda, tales como el espectro de interferencias, pueden derivarse de considerar la luz como partículas, siempre y cuando un número enorme de fotones, las «partículas» de la luz, esté involucrado.