Cuando se cumple medio siglo de las primeras aplicaciones holográficas, la introducción de esta tecnología en España tuvo lugar en Alicante por medio de la UA que, desde 1968, continúa como referente en técnicas e investigación.
Diario INFORMACIÓN de Alicante, 18 de Enero de 2015
Imagen del laboratorio de Óptica y Holografía de la UA, con el catedrático de Física Aplicada Augusto Beléndez, ante el ordenador trabajando con el láser. Foto de Antonio García
En la antigua Grecia se consideraba a la luz como una emisión de los cuerpos luminosos, aunque había cierta confusión sobre si el rayo de luz partía del ojo o del cuerpo iluminado. Con Euclides y otros autores griegos se formaliza y aplica la geometría a las leyes de la óptica, independientemente de sus ideas sobre la naturaleza de la luz. Durante la Edad Media, en Occidente se recibe el legado de la óptica de la antigua Grecia y de los autores árabes, el más importante de ellos Alhazen, mientras que con los autores modernos se divide la consideración de la naturaleza de la luz en dos corrientes: ondulatoria y corpuscular.
Ibn al-Haytam (Alhazen) realizó numerosas e importantes contribuciones en matemáticas, anatomía, medicina, astronomía y física. Escribió el “Libro de la Óptica” hace mil años, que es uno de los hitos históricos que se conmemoran en el “Año Internacional de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz”. Este libro es considerado uno de los textos más influyentes en la historia de la física. Por primera vez utilizó procedimientos del método científico para demostrar la propagación rectilínea de la luz. Estudió la reflexión, la refracción y la dispersión en colores, y realizó varios experimentos con dioptrios y espejos.
Ibn al-Haytam, conocido en occidente como Alhazen (965-1039)
En la defensa de la naturaleza ondulatoria de la luz destacan figuras como René Descartes (1596-1650), Christian Huygens (1629-1695) y Robert Hooke (1635-1703) que consideran la luz como un fenómeno ondulatorio semejante al sonido. Todas las ondas conocidas hasta entonces eran ondas mecánicas y necesitaban, por tanto, de un medio material para su propagación. Como la luz atraviesa el vacío, el medio en el que se propagan las ondas luminosas no puede ser el aire, como en el caso del sonido, sino que se postuló un medio más sutil, el éter, cuyas vibraciones constituyen la luz. En la defensa de la naturaleza corpuscular de la luz destaca fundamentalmente Isaac Newton (1643-1727) que considera la luz formada por partículas luminosas emitidas por los cuerpos. Desde los tiempos de Newton hasta los primeros años del siglo XIX, la teoría corpuscular de la luz gozó del favor de la mayor parte de los físicos, fundamentalmente por la autoridad de Newton. De hecho, el gran peso que tenía su opinión cayó como una losa sobre la teoría ondulatoria durante el siglo XVIII, aplastando a sus partidarios.
La naturaleza ondulatoria de la luz, demostrada de forma convincente hacia 1801 por un médico inglés llamado Thomas Young (1773-1829) con uno de los “experimentos más bellos de la física”, el de la doble rendija. Paradójicamente, Young era mucho más popular por descifrar los jeroglíficos egipcios de la piedra Rosetta que por desentrañar la naturaleza de la luz. Su mente independiente y tenaz le ayudó a probar la naturaleza ondulatoria de la luz en contraposición a la naturaleza corpuscular. Entre 1801 y 1803 Young presentó unos artículos ante la Royal Society exaltando la teoría ondulatoria de la luz y añadiendo a ella un nuevo concepto fundamental, el llamado principio de interferencia. Cuando se superponen las ondas provenientes de dos fuentes luminosas puntuales, sobre una pantalla colocada paralela a la línea de unión de los dos orificios, se producen franjas claras y oscuras regularmente espaciadas. Éste es el primer experimento en el que se demuestra que la superposición de luz puede producir oscuridad. Este fenómeno se conoce como interferencia y con este experimento se corroboraron las ideas intuitivas de Huygens respecto al carácter ondulatorio de la luz.
Ettiene Louis Malus (1775-1812), ingeniero militar de Napoleón, descubrió en 1808 el fenómeno de la polarización de la luz. Observó que, mirando a través de un cristal de espato de Islandia, la luz procedente de la reflexión en una ventana no producía la doble refracción (birrefringencia) típica de este material y girando el cristal en ciertas posiciones la luz disminuía. Sin embargo, Malus intentó explicar este fenómenos desde el punto de vista de la teoría corpuscular de la luz que seguía manteniendo.
Del mismo modo que Young es el responsable del resurgimiento de la teoría ondulatoria de la luz en Inglaterra gracias a sus experimentos sobre interferencias con ondas luminosas, Augustin Jean Fresnel (1778-1827) comenzó a revivir de manera brillante la teoría ondulatoria en Francia, ajeno en un principio a los esfuerzos realizados por Young varios años antes. Fresnel sintetizó los conceptos de la teoría ondulatoria de Huygens y el principio de interferencia y analizó el fenómeno de la difracción, característico del movimiento ondulatorio, que se presenta cuando una onda es distorsionada por un obstáculo. Éste puede ser una pantalla con una pequeña abertura, una ranura que sólo permite el paso de una pequeña fracción de la onda incidente o un objeto pequeño que bloquea el paso de una parte del frente de onda.
Difracción de una onda plana cuando el ancho de la ranura es igual a la longitud de onda. / Créditos: Wikipedia
En realidad no hay distinción física significativa entre interferencia y difracción, pero es algo común, aunque no siempre apropiado, hablar de interferencia cuando se analiza la superposición de solamente unas pocas ondas y de difracción cuando se trata de un gran número de ondas. A pesar de ello, es habitual referirse, por ejemplo, a la interferencia de haces múltiples en un contexto y a la difracción por una red en otro. El principio de Huygens-Fresnel permite calcular los patrones de difracción generados por obstáculos y aberturas y explicar de forma satisfactoria la propagación rectilínea en medios homogéneos, eliminando así la objeción principal de Newton para la teoría ondulatoria. Puede decirse que este principio lleva a la siguiente conclusión: “la luz se difracta y la interferencia está en el corazón del proceso”. Fresnel también estudió el fenómeno de la polarización, comprobando que dos luces cuyas polarizaciones son perpendiculares no interfieren, por lo que concluyó que la luz era una onda transversal. Al tratarse la luz de una onda transversal, el éter no podía ser un fluido sino que tendría que tener las propiedades de un sólido elástico de elevada rigidez. Esta idea parecía contraponerse a la de su enorme sutiliza, que permite a todos los cuerpos moverse a través de él. De esta forma el éter luminoso presentaba propiedades físicas contradictorias.
A mediados del siglo XIX Armand Fizeau (1819-1869) y Jean Bernard Foucault (1819-1868), midieron la velocidad de la luz en dos medios distintos, aire y agua, demostrando que en aire es mayor que en agua, en contra de lo que se deducía de la corpuscular de Newton. Foucault obtuvo en 1862 una de las primeras determinaciones de gran exactitud de la velocidad de la luz utilizando un aparato formado por espejos en rotación. Poco a poco, los argumentos a favor de la teoría ondulatoria de la luz terminaron por lograr su aceptación universal.
BIBLIOGRAFÍA
A. Udías, Historia de la Física: De Arquímedes a Einstein. Editoríal Síntesis. Madrid, 2004.
R. P. Crease, El prisma y el péndulo: Los diez experimentos más bellos de la ciencia (Ed. Crítica, Barcelona, 2009).
M. Lozano Leyva, De Arquímedes a Einstein. Los diez experimentos más bellos de la física (Ed. Debate, Barcelona, 2005). (Este libro está disponible en la Biblioteca Politécnica, Óptica y Enfermería de la Universidad de Alicante)
J. Ordóñez, V. Navarro y J. M. Sánchez Ron, Historia de la Ciencia. Editorial Espasa-Calpe. Madrid, 2007.
En su discurso pronunciado con motivo de la concesión del premio Nobel de Física de 1971 por la invención de la holografía que había realizado en 1947, Dennis Gabor afirmó que “alrededor de 1955 la holografía entró en una larga hibernación hasta la invención del láser en 1960”. Nada más lejos de la realidad. El físico estadounidense Emmett Leith señaló que era erróneo pensar que la investigación sobre holografía había desaparecido entre los años 1955 y 1962, sino que ésta se realizaba de forma clandestina en dos laboratorios muy distintos.
Uno de estos centros, totalmente invisible para occidente en plena guerra fría, era el Instituto Vavilov de Leningrado, donde el físico ruso Yuri Denisyuk trabajaba en su “fotografía de ondas”. El otro era un laboratorio clasificado de la Universidad de Michigan, cerca de Ann Arbor, en los Estados Unidos, al que Leith se había incorporado en 1952 para trabajar en un proyecto de investigación militar secreto denominado “Proyecto Michigan” relacionado con el radar de apertura sintética.
Durante los años 1955 y 1956 Leith reformuló la teoría del radar de apertura sintética en términos de la Óptica Física. Para ello, pensó registrar sobre una película fotográfica la información de las ondas de radar reflejadas por un objeto mezcladas con una onda de referencia, para poder reconstruirlas posteriormente mediante métodos ópticos. Mientras analizaba las matemáticas del proceso comprobó que estaba registrando un patrón interferencial de ondas de radar. Leith acababa de reinventar la holografía. Poco después conoció el trabajo de Gabor a través de un artículo publicado en 1956 por dos discípulos de éste y comprobó que tenía relación con sus investigaciones sobre el radar. Sin embargo, Leith trabajaba en un proyecto clasificado por el Ejército de los Estados Unidos, por lo que no tenía más remedio que mantener sus resultados en secreto.
En 1960 Juris Upatnieks empezó a trabajar como asistente de Leith y entre los dos repitieron los experimentos de Gabor, primero usando como fuente de iluminación una lámpara de mercurio y a partir de 1962 un láser de helio-neón. En 1960 Theodore Mainman había inventado el láser por lo que Leith y Upatnieks disponían de una fuente de luz de gran coherencia, una gran ventaja respecto a Gabor y Denisyuk. Leith y Upatnieks idearon distintas formas de soslayar el problema de las imágenes dobles que tanto había atormentado a Gabor e idearon la técnica óptica del registro de hologramas usando un “haz de referencia inclinado”. En sus experimentos desplazaron el haz de referencia fuera de la dirección del haz objeto. Habían inventado el “holograma fuera de eje”, conocido desde entonces como “holograma de Leith y Upatnieks”, en el que las ondas objeto y referencia inciden sobre la misma cara de la placa fotográfica, pero formando un cierto ángulo entre sí. Con ayuda de este nuevo esquema de registro, las imágenes virtual y real quedan separadas angularmente en la reconstrucción. Esta nueva geometría fue crucial para el avance de la holografía como una tecnología realmente útil. Leith y Upatnieks publicaron sus resultados a mediados de 1963 bajo el nombre de “fotografía sin lentes” y los primeros hologramas que realizaron eran de objetos bidimensionales (textos y fotografías en blanco y negro). En diciembre de 1963 muchos periódicos americanos publicaron la noticia de la nueva técnica de Leith y Upatnieks, por delante de otras noticias de mayor actualidad en la época como las relacionadas con el asesinato del presidente Kennedy. Hace cincuenta años, en 1965, se inventó la interferometría holográfica, quizás una de las primeras aplicaciones científicas y tecnológicas de la holografía, y ese mismo año también se realizaron los primeros hologramas en color. Todo ello en la Universidad de Michigan, convertida entonces en la capital mundial de la holografía.
El 20 de diciembre de 2013, la Organización de las Naciones Unidas (ONU), en su 68ª Asamblea Anual proclamó 2015 como el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz.
El Año Internacional de la Luz pretende comunicar a la sociedad la importancias de la luz, y sus tecnologías asociadas, en el mundo actual en áreas tan importantes como la energía, la educación, la salud, la comunicación, etc.
Mediante dicha decisión la ONU reconoce la importancia que la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz tienen en la vida de los ciudadanos del mundo, en el desarrollo de la sociedad y en los retos a los que se enfrenta la Humanidad. La luz juega un papel fundamental en nuestra vida cotidiana. Ha revolucionado, entre otros aspectos, la medicina o la manera de fabricar productos y ha posibilitado el desarrollo de Internet.
Durante siglos, la luz y sus aplicaciones han constituido un elemento de unión que trasciende todas las fronteras, no solo las geográficas sino también las de naturaleza cultural, de género o edad. La luz constituye, asimismo, un tema enormemente atractivo a la hora de motivar diferentes aspectos educacionales. En este sentido, el aumento de la conciencia mundial sobre la difusión y enseñanza de la ciencia, en particular la relativa a la luz y sus tecnologías, es esencial para abordar retos como el desarrollo sostenible y la mejora de la calidad de vida debido a su impacto directo en áreas como la energía, la agricultura, la salud o la educación.
En nuestra civilización occidental, heredera de la Antigua Grecia, muchas ideas introducidas por filósofos como Platón o Aristóteles han llegado hasta nuestros días. Su arte estaba caracterizado por la búsqueda de la belleza ideal y su proporción aurea o “divina proporción” explicaba matemáticamente esta belleza y ya no sólo en el arte sino en la misma Naturaleza. Fueron también filósofos griegos como Leucipo y Demócrito los primeros en proponer en el siglo V a.C. la revolucionaria idea de que la materia estaba constituida por pequeñas partículas indivisibles que denominaron átomos (del griego, “indivisible”). Acababa de introducirse la idea de la existencia de partículas elementales que aún persiste en la Física. Desde entonces los átomos permanecieron en el olvido hasta que Lavoisier en 1789 relacionó el concepto de elemento químico con las hipótesis atomísticas griegas. A finales del siglo XIX y principios del XX se descubrió que los átomos no eran indivisibles sino que tenían una estructura interna formada por un conjunto de electrones moviéndose alrededor de un núcleo central, el cual se comprobó años después que estaba constituido por protones y neutrones. Tras la Segunda Guerra Mundial llegaron los muones, tauones, neutrinos, piones, kaones, hiperones y un largo etcétera, sin olvidar a sus correspondientes antipartículas. Un auténtico zoo repleto de partículas elementales que los físicos pronto pusieron manos a la obra para clasificar.
Los gigantescos aceleradores de partículas y los refinados detectores permitieron a los científicos penetrar aún más en las profundidades del microcosmos y, como resultado, los físicos teóricos concluyeron que algunas partículas que eran consideradas elementales y denominadas hadrones –como los protones y neutrones del núcleo atómico– pudiera que no fueran tan elementales como se pensaba hasta entonces, sino que estarían constituidas por otras partículas aún más pequeñas. Este nuevo concepto fue introducido de forma independiente en 1964, justo hace cincuenta años, por los físicos estadounidenses Murray Gell-Mann y George Zweig. Esas partículas más pequeñas fueron denominadas quarks por Gell-Mann, una palabra que extrajo de una frase absurda de la novela Finnegnans Wake del escritor irlandés James Joyce: “¡Tres quarks para Muster Mark!”.
Murray Gell-Mann
