“Hágase la Luz”… y la luz se hizo … dualidad (III)

swans

Dalí da las ultimas pinceladas a su cuadro. A pesar de que una obra nunca se acaba realmente, Dalí está orgulloso del resultado obtenido. Ha conseguido una vez más plasmar el mundo surrealista de los sueños y el inconsciente en ese lienzo bidimensional. En el cuadro, se puede ver un trío de cisnes con sus esbeltas figuras reflejadas en el agua. Pero… esos reflejos también se pueden visualizar  como un trio de elefantes  con su imagen inversa proyectandose hacia el cielo. Cisnes y/o elefantes, la dualidad de este cuadro es un reflejo de la dualidad de la mente, de la dualidad de la realidad inconsciente, de la dualidad del universo quizás.   Dalí nos invita a ser parte activa de su obra:  como observadores determinamos el acto de percepción final, o la realidad final del cuadro: cisnes o elefantes. Aunque te parezca extraño, esta dualidad forma parte también de las propiedades del mundo físico, de la realidad profunda y última de la luz que llega a tu retina y te permite admirar esta obra maestra.

Y es que el concepto de dualidad es un concepto clave en la historia del pensamiento, pero alejado del desarrollo de la mentalidad científica moderna… hasta que llegó la cuántica. En ciencia nos hemos acostumbrado a pensar en términos de A es A, y A es no B. Por eso, que algo pueda ser A y B, y que el resultado dependa de cómo decidamos mirarlo … pues es extraño, y fuera de la intuición científica que hemos desarrollado. Pero me estoy adelantando varios pasos, y probablemente no sepas de lo que hablo. Para ello, necesitamos seguir profundizando en la esencia de la luz. En una anterior entrada, vimos como  la luz pasó de ser considerada una partícula en la época de Newton, a ser concebida como una onda despues de los experimentos de la doble rendija de Young. Más tarde, los trabajos de Maxwell determinarían en el siglo XIX que la luz era una onda electromagnética, es decir, campos eléctricos y magnéticos ondulando como si fueran olas en el mar. Eso sí, un tipo algo especial de onda, ya  que se puede propagar en el vacío. Y así entramos en el siglo XX con las cosas bien claras: la luz ES una onda y NO ES una partícula. Luz es A y no es B.

Sin embargo, el siglo XX iba a trastocar este tipo de lógica, o esta visión de la realidad, y como no, la revolución vino de la mano de Einstein en 1905, uno de los años más  milagrosos de la física. En este año, Einstein publica un artículo interpretando el efecto fotoeléctrico. ¿Qué es el efecto fotoeléctrico? El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones de una superficie metálica, cuando se hace incidir luz de una cierta longitud de onda. Los experimentos realizados al finales del siglo XIX por Hertz, y más tarde por Thompson, demostraban que al hacer incidir una luz sobre una placa metálica, se emitían electrones, generando así una corriente eléctrica, la cual era proporcional a la intensidad de la luz.

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Efecto Fotoeléctrico

¿Cómo interpretar este experimento? Bueno pues vamos a intentarlo con un modelo ondulatorio ¿Te gustan las olas? Como ya sabrás lector, vivo en San Sebastián, una ciudad costera, en la que desde pequeños desarrollamos un gusto tremendo por ir a ver saltar las olas en un paseo conocido como el “Paseo Nuevo”. Este paseo bordea el monte Urgull, y está construido de tal manera, que en ciertos sitios, una pared vertical de piedras se posiciona contra el frente de olas. Es decir, una disposición idónea para recibir todo el impacto de las olas y toda su energía. Cuando hay temporal, si la intensidad o la amplitud de la ola es lo suficientemente grande, entonces la ola salta por encima de la pared, y nos ponemos todos a correr para no ser mojados por ella. Que grandes momentos hemos vivido de niños , y no tan de niños, jugando así con las olas. Pues bien, a veces las olas tiene una intensidad tal, que incluso pueden arrancar piedras del fondo o de la pared y lanzarlas al aire, y claro  entonces el juego se torna más peligroso. Cualquier persona que haya vivido esta experiencia, podría intentar hacer una analogía con el efecto fotoeléctrico: las olas serían la luz, y las piedras los electrones.  Si las ondas electromagnéticas que conforman la luz, las olas lumínicas, tienen una intensidad lo suficientemente alta, arrancarán electrones de  la pared metalica, y éstos serán eyectados fuera de la superficie con una cierta velocidad, igualito a lo que nos pasa en el Paseo Nuevo. Obviamente, el número de piedras saliente, es decir, la intensidad de la corriente de piedras,  depende de la intensidad de la ola, o dicho de otra manera, de su amplitud o altura. Eso lo sabemos bien desde niños, ya que por eso corremos mucho, cuando vemos venir una ola grande.

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Olas en el Paseo Nuevo de San Sebastian… No explicarán el efecto fotoeléctrico… pero nos demuestran que las ondas también pueden ser bellas… aunque sean clásicas 😉

Pero la analogía no resiste una comparación más profunda. Para que el efecto fotoeléctrico se dé, se tiene que superar una frecuencia umbral de la onda correspondiente. Si estamos por debajo de esa frecuencia, da igual la intensidad de la luz, no se desprenden electrones. Por otro lado, a partir de esta frecuencia umbral, la velocidad máxima del electrón desprendido es independiente de la intensidad de la luz, sólo depende de la frecuencia de la onda. Es decir, volviendo a nuestro símil del oleaje, las olas vienen con una cierta frecuencia a la pared del Paseo Nuevo, si esa frecuencia es baja, da igual la altura de la ola, no se arranca ninguna piedra. Además, una vez que tengamos una ola con la frecuencia adecuada para desprender piedras, nos da igual la altura de la ola, que la piedra saldrá despedida con la misma velocidad.  Esto sabemos que no es cierto. La velocidad  de las piedras lanzadas por las olas, obviamente depende de la intensidad de la ola, de su amplitud, de su altura, y si no lo sabes, te aconsejo que no vayas al Paseo Nuevo en un día de temporal. La analogía de la luz con las olas se nos rompe por todos los lados al tratar de explicar el efecto fotoeléctrico. La conclusión es que el efecto fotoeléctrico no se puede explicar a partir de una teoría ondulatoria de la luz.

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Intrépidos investigadores analizando el efecto fotoeléctrico a partir de un modelo ondulatorio … no tendrán éxito pero se lo pasarán genial

Einstein resolvió el misterio del efecto fotoeléctrico en 1905, pero a cambio de retornar  a una teoría corpuscular de la luz. Supuso que la luz se compone de partículas cuya energía es proporcional a la frecuencia de la onda electromagnética correspondiente, según la formula E=h ν, donde h es la constante de Planck y ν la frecuencia de la onda electromagnética. Más tarde a estas partículas de luz se les bautizó como fotones. Einstein demostró que el efecto fotoeléctrico se podía explicar describiendo la luz como un conjunto de fotones que, al impactar con los electrones de la superficie del metal, podían transferir su energía al electrón. Si ésta era mayor que la energía que necesitaba el electrón para ser extraído de la superficie, detectamos una corriente. Como la energía del fotón depende de la frecuencia de la onda y no de su intensidad, de ahí que se necesite una frecuencia umbral para desprender electrones. Por otra parte, la intensidad o la amplitud de la onda se relaciona con el número de fotones que llegan a la superficie, por lo que determinarán cuantos electrones salen despedidos, y por lo tanto, la intensidad de la corriente, pero no determina con qué energía salen despedidos estos electrones, ya que la energía transferida a cada electrón será la contenida en un sólo fotón.

Como comprenderéis, la visión de Einstein fue revolucionaria. Durante el siglo XIX, se habían sentado las bases sólidas de la teoría ondulatoria de la luz, y el trabajo de Einstein  suponía un nuevo cambio de visión del fenómeno lumínico. Einstein se basó en los trabajos de Planck sobre la radiación del cuerpo negro, el cual había establecido que la transmisión de energía entre la luz y las paredes de un cuerpo negro eran proporcionales a la frecuencia de la onda. Pero Einstein había ido un paso más allá, al establecer que la propia luz eran partículas cuya energía era proporcional a la frecuencia de la onda. Daros cuenta de la contradicción en sí misma de la formula  E=h ν, en la que estamos mezclando  conceptos como energía de una partícula  con la frecuencia de una onda. Digamos que desde el punto de vista de la física clásica, estamos mezclando peras con manzanas. En el mundo de la física clásica, ondas y partículas son conceptos distintos, con propiedades cualitativamente diferentes. En cambio, viene Einstein y establece que la luz, cuyas propiedades ondulatorioas estaban firmemente establecidas, tiene también propiedades de partículas, y para liarlo más, estas propiedades, como la energía, vienen determinadas por propiedades ondulatorias típicas tales como la frecuencia. Pues parece un poco de locos.

En resumen, la luz tiene dos caracteres: ondulatorio y corpuscular. Según el experimento que hagamos, la luz mostrará su faceta ondulatoria, o su faceta corpuscular. Es decir, la luz es A y/o B, o dicho en plan fino, la luz es una dualidad onda-corpúsculo. Si esto no os sorprende, pues ya me diréis. De hecho, la idea fue recibida con bastante frialdad por los físicos de la época. Es más, el físico R.A. Millikan estuvo como unos 10 años intentando demostrar experimentalmente que la teoría de Einstein no era correcta. Pero la ciencia es testaruda, o mejor dicho la realidad es testaruda, lo que teniendo en cuenta las dudas que ofrece su existencia para algunos filósofos, es remarcable. Y así, despues de unos cuantos años trabajando, Millikan tuvo que reconocer que la teoría corpuscular de la luz de Einstein era correcta.

Dualite

Una manera de visualizar la dualidad. Según el experimento que hagamos proyectaremos la figura como un cuadrado, o como un círculo.

La física había introducido así un cambio de lógica de la esencia de la realidad, introduciendo el concepto de dualidad. El concepto de dualidad no era nuevo en el pensamiento humano, pero sí lo era relacionarlo con la realidad física. Quizás podamos escapar de este incómodo concepto de dualidad, pensando que en el mundo macroscópico,  en el mundo dominado por la física clásica donde desarrollamos nuestras intuiciones, las propiedades de una  onda y de una partícula están claramente diferenciadas. Sin embargo, en el mundo microscópico, las partículas no son como nuestras partículas macroscópicas, y se comportan de una manera que identificamos como onda o como partícula de acuerdo a nuestras intuiciones imperfectas. Podemos pensar que las ondas y partículas a las que estamos acostumbrados en nuestro mundo macroscópico, el mundo de lo que podemos “ver” y a partir del cual generamos nuestros conceptos “intuitivos”, son diferentes a las partículas microscópicas, como sombras de aquellas, y claro nuestra intuición revela sus límites cuando nos adentramos en el mundo microscópico. Esta sería una manera de verlo, ciertamente, pero la dualidad es mucho más extraña y más general, como veremos en una próxima entrada.

Hoy voy a acabar aquí, aconsejando a aquellos que vivan en una ciudad con mar, que la próxima vez que vayáis a dar un paseo cerca del océano bajo el sol del atardecer, miréis las olas, y pensad que la luz que os viene desde el horizonte viaja como esas olas que rompen en la costa, pero que al chocar contra tu retina ya no son olas, sino partículas. Extraño verdad? No es mal plan pensar en la esencia de la realidad con los ojos puestos en esa luz anaranjada que llega a tu retina, luz que nos permite a los científicos asomarnos a una revolución en el pensamiento de la física, con la misma curiosidad, asombro y fascinación que cuando nos asomábamos de pequeños al Paseo Nuevo para otear las olas.  La realidad física no es tan clara como nos parecía a finales del siglo XIX, pero en cambio, es más apasionante. No me digáis que la física no puede tener su carga poética 😉

olas_ocaso

Luz: olas electromagnéticas que se vuelven partículas al llegar a la orilla de tus ojos.

 El maestro Siddhartha se sienta a la entrada del templo, mientras le inunda la luz del atardecer. El discípulo Krishna acaba de llegar de Europa, donde ha estudiado en las mejores universidades, y aprovecha la oportunidad para acercarse al maestro y plantearle sus dudas. Contemplando el maravilloso espectáculo de montañas acariciadas por los rayos del sol acercándose al ocaso,  Krishna pregunta:

Krishna-: Maestro Siddhartha, ¿Qué es el bien?

Siddhartha-: El bien es la luz que aleja el mal, como los rayos de sol vencen a  las tinieblas

Krishna-: Y ¿Qué es el mal?

Siddhartha-: El mal son las tinieblas que ahogan la luz

Krishna-: Pero ¿Toda luz conlleva tinieblas, no?

Siddhartha-: Así es

Krishna-: Entonces el bien hace inevitable el mal, y viceversa!

Siddhartha-: Así es, mi querido Krishna,  el universo es dualidad, bien-mal,  sol-oscuridad, luz-tinieblas…

Krishna-: Maestro… usted no ha leído a Einstein… es la propia luz la que es dual

Siddhartha-: … estos occidentales … piensan demasiado y contemplan poco, … calla … y admira el atardecer

Krishna calla. Sigue las instrucciones de su maestro y concentra su mente en contemplar el atardecer, pero está en desacuerdo con él. Precisamente después de haber leído a Einstein, siente que puede contemplar la luz en su totalidad, y pensando en la dualidad profunda del mundo microscópico deja volar su mente hacia el horizonte.

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  1. #1 por Giusseppe Domínguez el marzo 6, 2013 - 2:03 pm

    Te he “respondido” aquí: http://giusseppe.net/blog/archivo/2013/03/06/dualidad-o-no-dualidad-esa-es-la-cuestion/
    Gracias por el estímulo.
    Un abrazo enorme. Dejo un pequeño extracto de lo dicho en mi blog, para que no sea necesario ir a él:

    _____________________________________________________________________________________
    Dualidad o no dualidad, esa es la cuestión.

    Pero establecer la cuestión de esta manera, tan dual, no deja de ser un contrasentido. Otra vez vuelvo a dejarme influir por mi amigo Xabi, quien ha realizado una magnífica descripción de lo que supone la naturaleza dual de la luz.

    Con esta imagen (el cilindro bi-proyectado) tan inteligente para mostrar lo que significa la dualidad de la luz, pero también de la materia (quedaba extender ese comportamiento ondulatorio a quienes estaban establecidos como partículas, en sentido contrario a lo que había hecho Einstein, completando de ese modo el ciclo), me he acordado inmediatamente del mito de la Caverna de Platón.

    A bote pronto, y sin salir de mi casa mental, puedo decir que esto conlleva una conclusión inmediata, que es el hecho de que los experimentos solo son análisis de proyecciones de una presunta realidad existente. Pero de la que no sabemos nada, ni siquiera, y esto se presume en esta imagen, la manera en la que se proyecta ni el lugar sobre el que lo hace.

    ¿Cuál es el espacio en el que la Realidad existe (¿si es que existe?)? ¿Cuál es el espacio en el que la Realidad se proyecta? Podemos llamar al segundo espacio de lo experimental, pero no deja de ser un espacio por definir. Si bien la palabra espacio, de por sí, ha perdido su absoluto, su visión cartesiana, en aras de una visión más relativa, tanto que fue también Einstein, entre otros, quien la puso en jaque, llevándola a un concepto tan interesante como el de la mecánica cuántica: la relatividad.

    El espacio dependía de la materia que lo ocupaba. Es como en el principio de incertidumbre, el objeto observado es afectado por el observador.

    Ambas frasecitas se las traen, porque dejan a la ciencia algo más indefensa que antes, cuando podían afirmar con tajante claridad cómo eras las cosas, cómo se comportaban… y pueden hacer caer en explicaciones acientíficas de las que es mejor cuidarse, pues al menos, las primeras, tienen algún tipo de metodología y escapan o buscan escapar de dogmatismos fanáticos: que haya sido capaz, la ciencia, de cuestionarse su poder, es algo que pocas otras logias se atreven a hacer, demostrando que sí, que el método es lo que de verdad importa.

    Pero volviendo a la dualidad… no hago más que plantearme si la metodología más acertada no podría ser la de la redefinición de los conceptos con los que nos hemos movido hasta ahora: objeto, partícula, onda, mundo…

    En su día, mundo era sinónimo de universo; átomo significaba indivisible. Las cosas cambian, al cambiar las circunstancias, podemos cambiar la manera en la que se entienden los textos. Yo creo que sobra hablar de dualidad, lo que es necesario es entender que las partículas no son lo que eran, que las ondas no son lo que eran. (Y no quiero decir qué significaba desahucio, antes de que lo pretendan redefinir)

    En varios de mis talleres de creatividad he jugado con esta idea de expandir el concepto de, por ejemplo, la palabra objeto, haciendo que signifique objeto textual, sonoro, visual, acción, tridimiensional, y que la creación poética pase a ser una labor de composición de objetos (en ese sentido extendido). Estoy preparando un taller de Haikus Conceptuales donde, en el fondo, la idea es la misma: ¿Qué es un haiku? Si extendemos lo que entendemos por tal, intentando captar la esencia del mismo, igual nos hallamos ante la posibilidad de crear una acción o un dibujo o un texto… o algo completamente multimedia, al más puro estilo Fluxus.

    Me interesa mucho la idea de cómo las palabras son la base, la verdadera base de aprehensión de la realidad (que no deja de ser una palabra) y de cómo somos lenguaje, que diría Ludwig Wittgenstein, de quien debo leer más. En su día no me interesó, pero es que yo era demasiado pesimista como para despegarme del existencialismo. Ahora creo que puedo buscar un complemento interesante en este alemán magnífico.

    • #2 por xabierjota el marzo 7, 2013 - 2:10 pm

      Como siempre, me encanta tu comentario, y en mi opinión, pones el dedo en la llaga cuando hablas del lenguaje y de cambiar conceptos. En la redefinición de lo que consideramos partícula creo yo que está la manera mejor de verlo. Una partícula microscópica, es algo que tiene asociada una función de onda (que el nombre es un poco confuso, Schrödinger creía de verdad que describiría una onda, pero resultó que no), cuyo cuadrado nos da la probabilidad de encontrarla en un punto del espacio. Que esas distribuciones de probabilidades las identifiquemos con ondas es una cuestión de nuestro lenguaje adaptado a nuestra experiencia. La partícula siempre se detecta como partícula, en el sentido de unidad y localidad. La partícula cuántica tiene esas propiedades, algo diferente a las partículas macroscópicas que estamos acostumbrados, pero también tenemos una formula que nos permite predecir cuando esos efectos cuánticos (quizás mal llamados ondulatorios) van a ser detectables para las partículas. Creo que el problema de la dualidad se puede salvar así, el problema vendrá más tarde cuando no podamos salvar tan “fácilmente” el problema de la no-localidad de los sistemas cuánticos, y la no-definición de ciertos elementos de realidad de un sistema hasta que hagamos la medición. Estos problemas, o mejor dicho, cambio de mentalidad sobre la realidad, creo yo que no se pueden “salvar” con una redefinición del lenguaje.

      Gracias por tu agudo comentario Giusseppe!!!

  2. #3 por Aldaba el abril 25, 2013 - 4:11 pm

    kaixo!!!!! tengo una pregunta !!!! desde mi ignorancia … ¿si la luz tiene caracter corpuscular como es que no le afecta la gravedad? quiero decir, nosotros lo definimos la velocidad de la luz como una constante pero¿ la atracción de la gravedad nola devería de parar la?

    • #4 por xabierjota el abril 25, 2013 - 5:25 pm

      Muy bien! De eso se trata de preguntar y despertar la curiosidad! Gracias por preguntar!

      Dos consideraciones:

      i) La luz tiene características de partícula pero… tiene masa cero, o sea que segun la teoría newtoniana no le afectaría la atracción gravitacional

      ii) Pero…la luz se curva al pasar al lado de un objeto masivo, por lo que entonces parecería que le afecta la masa de ese cuerpo (?), pero como es posible si hemos dicho que el foton tiene masa cero? La respuesta es que estas pensando en términos Newtonianos, cuerpos con masa que ejercen fuerzas de atracción gravitacionales. La teoría de la Relatividad General superó estos conceptos. Lo que hacen los cuerpos con masa es distorsionar el espacio-tiempo, cambian la métrica del espacio, de tal manera que cuando la luz pasa cerca de un planeta se encuentra con una zona del espacio-tiempo distorsionada. Es como si tuvieras una sabana que representa el espacio-tiempo, y colocaras una bola en la sabana, la sabana se curva en las proximidades de la bola, Cuando el fotón pasa por esa zona, el foton sigue trazando una trayectoria rectilinea, pero al estar curvado el espacio tiempo, nosotros observamos que la trayectoria del foton se curva.

      No sé si te he aclarado algo, o te he hecho surgir más dudas, pero gracias por tu curiosidad!! 😉

      J

      • #5 por Aldaba el abril 26, 2013 - 12:06 am

        creo que lo he entendido ! gracias!

      • #6 por xabierjota el abril 26, 2013 - 5:11 pm

        pues me alegro! .. si has entendido te lanzo otra pregunta yo ¿Porqué la luz no puede salir de un agujero negro? 😉

  3. #7 por Aldaba el abril 27, 2013 - 10:50 am

    buena pregunta!!

    A ver creo que es porque la densidad de la estrella al enfriarse crece tanto que tienen un campo gravitatorio inmenso y este deforma de tal forma el plano espacio-tiempo que la luz no puede salir de el.
    Es decir, no es que el campo gravitatorio atraiga la luz sino que deforma el plano espacio-tiempo ( en vez de ser un cono la punta se cierra) y la luz no puede escapar de allí.

  4. #8 por David Weich el octubre 15, 2013 - 5:02 am

    Gracias, entendi a la perfeccion con las analogias; este tema es intrigante y apasionante, debo exponer este tema en unos dias, asi que esto me va ser de mucha utilidad.

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