Física para tod@s

2015, Año de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz.

Stephen Benton (1941-2003), uno de los pioneros de la holografía, señaló en más de una ocasión que “es la intersección de arte, ciencia y tecnología lo que hace la holografía tan interesante”. Lo cierto es que junto con innumerables aplicaciones científicas y tecnológicas en ámbitos muy diferentes, la holografía es uno de los pocos campos científicos que ha proporcionado un medio para el arte.

BENTON VISION 2003: Embossed hologram originated by Zebra Imaging and manufactured by Toppan Printing Co., to celebrate the life of Stephen A Benton, 1942-2003 (Johnattan Ross-Hologram collection).

La holografía permite producir imágenes tridimensionales y consta de dos etapas denominadas registro y reconstrucción. Los fundamentos físicos de la holografía se encuentran en la naturaleza ondulatoria de la luz: el fenómeno de las interferencias en la etapa de registro y el de la difracción en la reconstrucción. En la etapa de registro se almacena en un material de registro el diagrama interferencial de una onda proveniente de un objeto cuando éste es iluminado con la luz del láser con una onda de referencia proveniente del mismo láser. El medio de registro impresionado y procesado si fuera necesario, es lo que constituye el holograma, del griego “holos”, que significa “la totalidad”. En la etapa de reconstrucción se ilumina el holograma con un láser y se obtienen una imagen virtual y otra real del objeto. De esta forma, mirando a través del holograma veremos una imagen tridimensional del objeto.

Una diferencia fundamental con la fotografía es que ahora en vez de almacenar la imagen bidimensional del objeto formada por una lente o sistema de lentes, se almacena información suficiente para poder reconstruir la onda objeto misma. Puede decirse que la holografía permite “congelar” la onda procedente del objeto y posteriormente “ponerla otra vez en marcha”. Un holograma es ciertamente como una “ventana con memoria”. Como consecuencia, no se pierde el carácter tridimensional de los objetos. Se podría mover la cabeza un poco y mirar alrededor del objeto para poder ver detrás de él, de modo que los efectos de paralaje son evidentes.

La holografía fue inventada en 1947 por Dennis Gabor (1900-1979), un ingeniero húngaro afincado en Inglaterra, por la que recibió el Premio Nobel de Física en 1971. Sin embargo, la idea de Gabor no habría pasado de ser, como se dice en inglés, un “white elephant”, un “elefante blanco”, un objeto superfluo y sin utilidad, si no hubiera sido por la aparición de dos nuevos personajes en escena: Yuri Denisyuk (1927-2006) en la antigua Unión Soviética y, sobre todo, Emmett Leith (1927-2005) en los Estados Unidos.

Gracias al láser inventado en 1960 por Theodore Maiman (1927-2007) se dispuso de luz con la coherencia necesaria para el registro de hologramas de gran calidad y abrió la puerta a numerosas aplicaciones. Utilizando un láser Leith y Upatnieks realizaron en 1964 el primer holograma de un objeto tridimensional –un pequeño tren de juguete– con ayuda de una nueva técnica que ellos mismos habían inventado: el holograma fuera de eje. Combinando la luz del láser con la técnica fuera de eje habían abierto el mundo de la holografía al mundo real de los objetos tridimensionales.

Holograma del tren: primer holograma de un objeto tridimensional realizado por Leith y Upatnieks en 1964.

En las casi dos décadas transcurridas entre 1947 y 1964 la holografía era un collage construido desde distintas perspectivas. La visión excitante en 1964 del holograma tridimensional de Leith y Upatnieks reactivó de “forma explosiva” el interés por la holografía. Gracias a ese pequeño tren de juguete, cientos de investigadores empezaron a relacionar estos tres trabajos y en los años siguientes a la presentación del holograma del tren se publicaron más de mil artículos científicos sobre el registro de hologramas.

La primera exposición de holografía artística tuvo lugar en Michigan en 1968 y la segunda en Nueva York en 1970. En 1971 comenzó una escuela de holografía en San Francisco, en la que científicos, ingenieros y artistas podían aprender la nueva técnica. De este modo la holografía se convirtió en un ejemplo inusual de campo científico en el que participaron en su desarrollo grupos de personas de muy distinta procedencia.

El ya mencionado Stephen Benton, pieza clave en el desarrollo de la holografía moderna y no sólo por sus contribuciones científicas, sino que también destaca su faceta artística, señaló que “la creatividad no pertenece solamente al dominio del arte, existe en todas las áreas de nuestra existencia y uno de los aspectos más interesantes de la holografía es la relación simbiótica que se da entre las ciencias y las artes”.

En 1966 Leith y Upatnieks realizaron un holograma en colaboración con el fotógrafo y artista Fritz Goro (1901-1968) para la revista Life y en el año 1968 se publicó en la revista Leonardo el artículo “Holography: A New Scientific Technique of Possible Use to Artists” que señalaba la posibilidad de utilizar la holografía como una nueva forma de arte y enseguida algunos artistas se adentraron en la aventura holográfica. Una de las más importantes es la artista británica Margaret Benyon que empezó en la holografía ese año de 1968 y de la que algunos de sus hologramas pueden verse en la imagen. La holografía posee un innegable interés como una de las técnicas más revolucionarias de creación de imágenes tridimensionales y su capacidad de atracción-fascinación es enorme. Frente al espacio estático y constante de la pintura o la fotografía, el espacio holográfico implica el movimiento del espectador y una variación de la imagen en tanto en cuanto se producen ángulos de visión distintos en la percepción dinámica de la imagen holográfica.

Conjugal series – 1983 – Hologramas de Margaret Benyon.

El artista japonés Hiro Yamagata expuso entre 2004 y 2005 la obra titulada “Campo cuántico-X3” en el exterior del Museo Guggenheim de Bilbao. Se trataba de dos cubos cubiertos con paneles holográficos cuyo color cambiaba en función de la dirección y el ángulo en el que incidían los rayos de Sol así como dependiendo de la posición del observador.

Proyecto de instalación de Campo cuántico-X3 en el Museo Guggenheim de Bilbao de Hiro Yamagata (página Web del Museo Guggenheim).

La holografía también se utiliza en los museos para sustituir algunos objetos delicados y valiosos por hologramas de los mismos o para sustituir los objetos originales por hologramas en exposiciones itinerantes. Por ejemplo, en 1984 se realizaron en la Universidad de Alicante una serie de hologramas de reflexión sobre el tesoro de Villena y hologramas de este tipo se han utilizado en varios países para la conservación de obras de arte consideradas tesoros arqueológicos a través de un vasto programa de colaboración entre físicos y museólogos. La fidelidad en la reproducción de formas, colores y brillos es tan espectacular que es difícil decir si lo que se ve es el objeto detrás de una ventana de vidrio o una reproducción holográfica.

Hologramas del tesoro de Villena realizados en la Universidad de Alicante en 1984.

Todos sabemos quien es Salvador Dalí (1904-1989), artista surrealista y genio excéntrico que, por cierto apareció recreado en uno de los últimos capítulos de la serie de televisión “El ministerio del tiempo” cuando los protagonistas hacían su viaje temporal a la época dorada de la Residencia de Estudiantes de Madrid en la década de los veinte del siglo pasado. Pues bien, a lo mejor me equivoco, pero estoy casi seguro que una gran mayoría de no sabrá que Salvador Dalí también hizo una incursión en el mundo de la holografía. Entre 1971 y 1976 Salvador Dalí y el artista sudafricano Selwyn Lyssack colaboraron en la realización de siete hologramas titulados:

• Brain of Alice Cooper
• Crystal Grotto
• Dali Painting Gala
• Holos! Holos! Velázquez! Gabor!
• Submarine Fisherman
• Polyhedron
• Melting Clock

Para ello contaron con la ayuda de Conductron Engineers para producir hologramas con láseres pulsantes y con Multiplex Company para hacer esterogramas holográficos. El propio Dalí hizo una exposición en la Galería Knoedler de Nueva York en 1972 y otra en 1973 que incluía hologramas y a la que asistió el propio Gabor. En enero de 2014 la revista “SPIE Professional Magazine” publicó el artículo de Selwyn Lissack titulado “Dali in holographic space: A collaboration of art and science” en el que habla de su colaboración con Dalí.

Selwyn Lissack y Salvador Dalí.

Uno de los hologramas realizados en 1973 se titula “Brain of Alice Cooper”, y es un estereograma holográfico de Alice Cooper, cantante de hard rock y heavy metal nacido en 1948 y auténtico icono del rock.

Holograma “Brain of Alice Cooper” realizado en colaboración por Salvador Dalí y Selwyn Lissack en 1973.

Otro de los hologramas concebidos por Dalí en 1975 se titula “Melting clock”. Sin embargo, no fue realizado hasta 2003 por Selwyn Lyssack a partir del boceto original de Dalí. Pues bien, tanto el boceto de Dalí como el holograma fueron subastados el año pasado en Sotheby’s. Se estimaba vender el lote entre 100.000 y 150.000 dólares. Al final se vendió por 269.000 dólares.

“Melting clock”, holograma realizado en 2003 por Selwyn Lyssack a partir del boceto original de Dalí de 1975.

MÁS INFORMACIÓN

Selwyn Lissack, “Dalí in holographic space: A collaboration of art and science”, SPIE Professional January 2014.

Sean F. Johnston, Holographic Visions: A History of a New Science (Oxford University Press, Oxford 2006).

Augusto Beléndez, Holografía: ciencia, arte y tecnología (Lección inaugural, Universidad de Alicante, curso 2007-08).

Tal día como hoy de hace cincuenta y seis años, el 16 de mayo de 1960, el físico e ingeniero estadounidense Theodore Maiman (1927-2007) obtuvo la primera emisión láser, lo que dio lugar a uno de los más importantes y versátiles instrumentos científicos de todos los tiempos.

Esta fecha es, por tanto, muy importante no sólo para los que desarrollamos nuestra investigación en el campo de la óptica y para otros investigadores de otras áreas que también utilizan láseres en su trabajo, sino también para el público en general, el cual prácticamente todos los días está en contacto con dispositivos provistos de láseres. Los reproductores de CD, DVD y Blu-ray, las impresoras láseres, los lectores de códigos de barras utilizados en muchos comercios o los sistemas de comunicaciones por fibra óptica que conectan la red global de Internet son sólo algunos ejemplos de aplicación del láser en nuestra vida cotidiana. También el láser tiene importantes aplicaciones biomédicas, como en la eliminación de la miopía, el tratamiento de ciertos tumores y hasta para el blanqueamiento dental. Incluso el láser se utiliza los centros de belleza que continuamente nos bombardean con anuncios sobre depilación láser, tan de moda en los tiempos que corren. Sin embargo, el láser es de gran importancia, no sólo por sus múltiples aplicaciones científicas y comerciales o por ser la herramienta fundamental de diversas tecnologías punteras, sino porque fue un factor crucial en el renacer de la óptica que tuvo lugar en la segunda mitad del siglo pasado. Alrededor de 1950 muchos consideraban la óptica como una disciplina científica con un gran pasado, pero sin visos de tener un gran futuro. En aquellos años eran los artículos científicos de otras áreas de la Física los que copaban las revistas más prestigiosas. Sin embargo, el láser cambió esta percepción de forma drástica y dio lugar a un desarrollo nuevo y vigoroso de la óptica. Puede afirmarse, sin riesgo a equivocarse, que el láser fue el revulsivo que reactivó muchos campos de la óptica de forma «explosiva» y dio lugar a otros nuevos como la optoelectrónica, la óptica no lineal o las comunicaciones ópticas.

Pero, ¿qué es un láser? Se trata de un dispositivo capaz de generar un haz de luz que posee una intensidad mucho mayor que la luz emitida por cualquier otro tipo de fuente luminosa. Además presenta la propiedad de la coherencia de la que, por lo general, carecen los haces luminosos ordinarios. La dispersión angular del haz del láser es también mucho más pequeña por eso observamos la emisión del rayo láser como un delgado haz rectilíneo de luz cuando es dispersado por las partículas de polvo que nos rodean. Pero dejemos a un lado las cuestiones técnicas, más propias de otro tipo de publicaciones, y centrémonos en otros aspectos sobre la invención del láser, no por ello menos importantes, aunque seguramente más interesantes para el público en general. La palabra láser es en realidad un acrónimo formado por las iniciales de «Light Amplification by Stimulated by Emission Radiation» (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación) y el término fue acuñado en 1957 por el físico estadounidense Gordon Gould (1920-2005), de la compañía privada Technical Research Group (TGR), el que cambió la «M» de Máser por la «L» de Láser.

El desarrollo del láser tiene sus orígenes en un artículo de Einstein sobre emisión estimulada de la radiación de 1916 («Strahlungs-emission und -absorption nach der Quantentheorie», Emission and absorption of radiation in Quantum Theory). Pero fue un artículo publicado el 15 de diciembre de 1958 por dos físicos, Charles Townes (fallecido el pasado 27 de enero a los 99 años de edad) y Arthur Schawlow, y titulado Infrared and Optical Masers, el que puso las bases teóricas que permitieron a Maiman construir el primer láser en 1960 en los Hughes Research Laboratories (HRL), en Malibú, California. Maiman utilizó como medio activo un cristal cilíndrico de rubí sintético de un centímetro de largo, con sus bases espejadas, constituyendo el primer resonador óptico activo de la historia. Imagino que no será conocido el hecho de que Hughes Research Laboratories fue una compañía privada de investigación fundada en el año 1948 por el magnate Howard Hughes, excéntrico multimillonario, aviador, ingeniero autodidacta, productor de Hollywood y empresario, al que diera vida en el cine Leonardo DiCaprio en la película de 2004 El aviador dirigida por Martin Scorsese. Los ejecutivos de los Hughes Research Laboratories dieron a Maiman un plazo de nueve meses, la cantidad de 50.000 dólares y un ayudante para que consiguiera la primera emisión láser. Maiman pensó utilizar una lámpara de un equipo de proyección de cine para excitar ópticamente el medio activo, pero fue precisamente su ayudante, Irnee D’Haenes, el que tuvo la idea de iluminar el cristal de rubí con un flash fotográfico.

Una vez conseguida la primera emisión láser, Maiman envió un breve artículo a la prestigiosa revista de Física, Physical Review, pero los editores no lo aceptaron aduciendo que esta publicación había anunciado que se estaban recibiendo demasiados artículos sobre máseres –el antecesor del láser en la región de las microondas- y había decidido que en el futuro todos los artículos sobre este tema serían rechazados, al no merecer ser publicados con urgencia. Maiman entonces remitió su artículo a la prestigiosa revista británica Nature, realmente aún más selectiva que Physical Review, dónde el artículo sobre la primera emisión de la luz láser vió la luz (nunca más adecuada esta expresión que en este caso) el 6 de agosto de 1960 en la sección Letters to Nature bajo el título Stimulated Optical Radiation in Ruby, siendo Maiman su único autor.

Este artículo consta apenas de 300 palabras y ocupa poco más de una columna, por lo que quizás sea el artículo especializado más breve jamás publicado sobre un desarrollo científico de tal magnitud. En un libro editado para celebrar el centenario de la revista Nature, Townes calificó el artículo científico de Maiman como «el más importante por palabra de todos los artículos maravillosos» que la prestigiosa revista había publicado en sus cien años de historia. Con la aceptación oficial del artículo de Maiman en Nature, los laboratorios Hughes hicieron pública la noticia del funcionamiento del primer láser en su empresa convocando a los medios en una conferencia de prensa en Manhattan el 7 de julio de 1960.

Transcurrió muy poco tiempo desde que el láser pasara de ser una curiosidad sin aplicaciones a convertirse en una fuente casi inagotable de nuevos avances científicos y desarrollos tecnológicos de gran calado. De hecho, el primer láser comercial llegó al mercado apenas un año después, en 1961, año en el que también se pusieron a la venta los primeros láseres de He-Ne, probablemente los más conocidos y utilizados desde entonces. En esos primeros años entre 1960 y 1970 ninguno de los investigadores que trabajaron en el desarrollo del láser -la mayoría en laboratorios de empresas privadas como los ya mencionados de Hughes, los de IBM, General Electric o los laboratorios Bell- podía haber imaginado de qué forma los láseres transformarían en los siguientes cincuenta y seis años, no sólo la ciencia y la tecnología, sino nuestra vida cotidiana.