Otros aniversarios del Año Internacional de la Luz

Creo que ya todos sabemos que se ha elegido 2015 como “Año Internacional de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz” porque en este año se conmemoran una serie de hitos fundamentales en la historia de la ciencia de la luz. Hace mil años, en 1015, Alhazen publicó su Libro de la Óptica. Hace doscientos años, en 1815, Fresnel elaboró la teoría ondulatoria de la luz y en 1865 Maxwell la teoría electromagnética de la luz con lo que consiguió unificar luz, electricidad y magnetismo mediante la ‘síntesis de Maxwell’. Einstein explicó el efecto fotoeléctrico mediante cuantos de luz en 1905 y hace un siglo, en el año 1915, introdujo la luz en la cosmología a través de su Teoría de la Relatividad General. Hace cincuenta años Penzias y Wilson descubrieron la radiación cósmica de fondo de microondas, ese eco del origen del Universo y una de las pruebas del Big Bang, y también son de 1965 los logros alcanzados por Kao en la transmisión de luz por fibras ópticas, fundamento de las actuales y hoy omnipresentes comunicaciones ópticas.

Sin embargo, hay otros muchos acontecimientos relacionados con la luz y sus tecnologías –quizás no tan importantes como los anteriores– que también merece la pena recordar. Esto me ha hecho escribir esta contribución que he denominado los “otros aniversarios de la Año Internacional de la Luz”. Lo primero que me planteé fue buscar otros hitos importantes de la ciencia y tecnología de la luz precisamente de los mismos años: 1015, 1815, 1865, 1905, 1915 y 1965. Encontrar otro hecho de 1015 ya lo abandoné antes de buscarlos, por lo que busqué otro, en este caso de 1665, es decir, de hace 350 años. De 1965 también pretendía buscar dos y además de las mismas características: un descubrimiento por casualidad (como el de la radiación cósmica de fondo de microondas) y un logro tecnológico como el de las fibras ópticas. El listado de esos “otros aniversarios” me ha quedado como se muestra a continuación.

En 1665, hace justo 350 años, se publica el tratado del matemático, físico y sacerdote jesuita italiano Francesco Maria Grimaldi (1618-1663) titulado Physicomathesis de lumine, coloribus, et iride, aliisque annexis (Conocimiento físico de la luz: los colores del arcoíris), lo que le otorga un lugar prominente en la historia de la óptica. Fue el primero en realizar observaciones precisas de la difracción de la luz y acuñó el término difracción. Grimaldi dejaba que penetrarán los rayos solares a un cuarto oscuro a través de un pequeño agujero en un cartón. Hizo después pasar esta luz a través de otra cartulina de nuevo perforada, con dimensiones que midió cuidadosamente, descubriendo que la luz proyectaba una mancha mayor a la esperada si la propagación de la luz fuera rectilínea.

Francesco Maria Grimaldi el tratado titulado “Physicomathesis de lumine, coloribus, et iride, aliisque annexis”. Créditos: Wikipedia.

Vayamos ahora al año 1815. El mismo año en el que el francés Fresnel proponía teoría ondulatoria de la luz, el también francés Jean-Baptiste Biot (1774-1862) descubría accidentalmente que ciertas sustancias orgánicas naturales como la teurpentina, soluciones de azúcar, de camphor y de ácido tartárico, el fenómeno de la actividad óptica, es decir, que el “plano de polarización” de la luz polarizada linealmente es rotado cuando un haz de luz se propaga e través de dichos líquidos. Esto puede utilizarse, por ejemplo, para medir la concentración de azúcar en una solución de azúcar. Biot propuso unas leyes experimentales de la actividad óptica y prublicó en 1815 el artículo Phénomènes de polarisation succesive, observés dans des fluides homogènes y en 1825 fue precisamente Fresnel el que explicó el mecanismo de la rotación óptica. Biot fue profesor de Louis Pasteur (1822-1895) –químico francés conocido por la pasteurización y la vacuna contra la rabia– que también estudió la actividad óptica de medios dieléctricos diluidos.

Jean-Baptiste Biot (izquierda) y Émile Verdet (derecha). Créditos: Wikipedia.

Toca ahora el año 1865, hace 150 años. El mismo año en el que Maxwell publica su teoría electromagnética de la luz, Emile Verdet (1824-1866) publica Etude sur la constitution de la lumière non polaris’ee et de la lumière partiellement polaricée, siendo el primero en llevar a cabo investigaciones sobre coherencia, en particular sobre “coherencia parcial”, antes de que el concepto de coherencia fuera introducido. Verdet se preguntó: “si la luz del sol ilumina directamente dos pinholes situados en una pantalla opaca, ¿como de cerca tienen que estar los pinholes para que la luz que emerge de ellos pueda formar franjas de interferencia tras su superposición?”. Él estimos que esta distancia es alrededor de 1/50 milímetros. En el lenguaje moderno esta pequeña distancia es el diámetro del “área de coherencia” formada por la luz del sol sobre la superficie de la Tierra.

Y llegamos ya al siglo XX. Es imposible competir con las contribuciones de Einstein realizadas en 1905, por tanto para ese año voy a considerar mucho más humilde: la publicación del libro Physical Optics del físico e inventor norteamericano Robert William Woods (1868-1955). Este libro se convirtió en un tratado clásico sobre los aspectos experimentales de este tema en su día, y tuvo por tres ediciones. Woods es considerado una un investigador fundamental en el campo de la óptica y un pionero de la fotografía infrarroja y ultravioleta. El “cráter Wood”, en el lado oscuro de la luna, fue nombrado en su honor, por haber descubierto que, bajo fotografía ultravioleta, el cráter tomaba una fisonomía distinta, reflejando un depósito de sulfitos no identificados con anterioridad.

Hace cien años, en 1915, el físico alemán Arnold Sommerfeld (1868-1951) elabora su extensión del modelo atómico introducido por Niels Bohr dos años antes, considerando órbitas elípticas. Se trata de uno de los resultados más importantes de la primitiva teoría cuántica, la generalización llevada a cabo independientemente hace cien años por Sommerfeld, Wilson e Ishiwara para sistemas multiperiódicos (reglas de cuantificación de Sommerfeld-Wilson-Ishiwara). Uno de los éxitos más espectaculares y que más ayudaron a aceptar estas reglas de cuantificación fue el estudio realizado por Sommerfeld de los átomos hidrogenoides en el marco de la teoría de la relatividad especial, y que permitió dar una explicación teórica a la estructura fina del átomo de hidrógeno. Sommerfeld también realizó contribuciones importantes en el campo de la teoría matemática de la difracción y aunque no fue galardonado con el Premio Nobel de Física, posee el récord de mayor número de estudiantes de doctorado que sí lo consiguieron: cuatro (Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Peter Debye, y Hans Bethe).

Arnold Sommerfeld. Crédito: Konrad Jacobs, Oberwolfach Photo Collection (izquierda). Estudio de la distribución de temperatura en el interior de una bombilla mediante interferometría holographica. Créditos: Universidad de Alicante (derecha).

Arnold Sommerfeld. Crédito: Konrad Jacobs, Oberwolfach Photo Collection (izquierda). Estudio de la distribución de temperatura en el interior de una bombilla mediante interferometría holográfica. Créditos: Universidad de Alicante (derecha).

Llegamos ya a 1965, hace cincuenta años, cuando se publican los primeros artículos sobre interferometría holográfica, descubierta accidentalmente (como la radiación del fondo de microondas) en la Universidad de Michigan por varios grupos de investigación. Sin embargo es a Karl Stetson y a Robert Powell (también dos, como Penzias y Wilson) a los que debemos la explicación del fenómeno y el ser quienes publicaron el primer artículo sobre interferometría holográfica en 1965. Esta técnica es una de las primeras aplicaciones prácticas de la holografía y desde entonces tiene gran interés científico, técnico e industrial. También es de 1965 el invento del concepto de grabación y reproducción digital óptica, antecesor del compact disc (CD), realizado por James T. Russel (1931-) y que por aquel entonces trabajaba en el Pacific Nothwest National Laboratory en Richland (USA). Tenemos una aplicación tecnológica de la luz de 1965 como la de las fibras ópticas utilizadas en comunicaciones ópticas.

Este “juego” en el que me he embarcado de búsqueda de otros aniversarios de la ciencia y tecnología de la luz para conmemorar durante este año 2015 es solo una pequeña muestra de las muchas personas que desde el origen de los tiempos se han interesado por desentrañar los misterios de la luz y así como aplicarla a áreas muy diversas. Como otros campos científicos y tecnológicos, la ciencia y la tecnología de la luz tiene su historia, y tenemos la obligación de recordar al menos unos cuantos “grandes nombres” relacionados con descubrimientos clave que han influido en nuestra forma moderna de pensar y de vivir. Que mejor momento para hacerlo que durante este “Año Internacional de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz”.

Traducción al español de de la entrada publicada en el blog del año internacional de la luz IYL2015:

Other Anniversaries celebrated during the International Year of Light 2015

About Augusto Beléndez

Catedrático de Física Aplicada en el Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal de la Universidad de Alicante. Miembro del Instituto Universitario de Física Aplicada a las Ciencias y las Tecnologías (IUFACyT) así como del Grupo de Investigación "Holografía y Procesado Óptico" (GHPO) y del Grupo de Innovación Tecnológica-Educativa "Física, Óptica y Telecomunicaciones" (GITE-FOT). Miembro de la RSEF y SEDOPTICA. Senior member de la OSA y Fellow member del SPIE. -- Full Professor of Applied Physics in the Department of Physics, Systems Engineering and Signal Theory at the University of Alicante (Spain). Member of the University Institute of Physics Applied to Sciences and Technologies (IUFACyT) as well as the Research Group "Holography and Optical Processing" (GHPO) and the Technological-Educational Innovation Group "Physics, Optics and Telecommunications" (GITE-FOT). Member of the RSEF and SEDOPTICA. OSA Senior member and SPIE Fellow.
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