Las piezas lego de la naturaleza. La historia más extraña jamás contada. Parte 3.

La luz

En el mundo anterior a la física de partículas en la naturaleza existía la materia y poco más. Había movimiento, luz y calor y había también alguna tendencia natural de la materia a seguir ciertas reglas, como la de caer. Se conocían fenómenos extraños como la atracción eléctrica del ámbar o la magnética de los imanes. Los seres vivos tenían, además, un aliento vital y los seres humanos un alma.

Sobre la luz, se tenía la idea de que, de nuestros ojos, salían una especie de tentáculos invisibles que llegaban a todas partes y que daban cuenta de las propiedades lumínicas de los objetos. Esto se cambió por la idea contraria, según la cual de cada objeto salía algún tipo de sustancia que impresionaba en los ojos. Esta idea ya prevalecía alrededor del siglo 11.

En eso estábamos cuando Thomas Young encuentra que la luz no es una sustancia material, sino una onda. Lo hace al mostrar cómo dos rayos de luz producen, al juntarse, una interferencia igual que hacen las ondas. (Véase la figura.)

Con esto pareció ponerse fin a la disputa entre los modelos de Newton (la luz consiste en partículas emitidas en todas direcciones) y de Huygens (la luz es una onda emitida por el cuerpo luminoso).

Todo iba bien con este modelo de la luz como una onda hasta que se observaron comportamientos curiosos de la luz. El más inquietante era el fenómeno fotoeléctrico. Si un rayo de luz incidía en ciertos metales, se podía producir una corriente eléctrica. Esto no es problema, la energía de la luz desplaza a los electrones (que, en los metales, andan bastante sueltos y por eso son buenos conductores de la electricidad) y eso produce la corriente eléctrica. El problema surgía porque una luz azul poco intensa era capaz de producir una corriente eléctrica, pero una luz roja no, no importa lo intensa que fuera. Esto creaba un problema a la teoría de la luz como onda.

La longitud de onda de la luz azul es más pequeña que la de la roja, y la longitud de onda más corta indica más energía: sujétese una cuerda a la pared por un extremo y agárrese el otro extremo con la mano, hará falta más energía para producir ondas pequeñas al mover la mano de arriba abajo. Pero, por otra parte, cuanto más intensa sea la luz, más energía se estará ejerciendo sobre la superficie de metal. Así, la menor energía de la luz roja se debería poder compensar con una mayor intensidad, pero esto simplemente no ocurría, así que el fotón no era exactamente una onda.

Ese es el primero de los fenómenos realmente extraños de esta historia más extraña jamás contada. La solución al enigma fue propuesta por el mismísimo Einstein, y por ello recibió el premio Nobel de Física. Einstein propuso que la luz se emitía en unidades (que acabaron llamándose fotones). Cada fotón era la unidad mínima de energía de cada frecuencia de luz (de cada color, para entendernos) y la manera de interaccionar luz y materia era a través de la interacción entre fotones y electrones. Si un fotón tiene energía suficiente para desplazar un electrón (por ejemplo, un fotón de luz azul), lo desplaza y, si no tiene esa energía (el fotón de luz roja), no conseguirá nada. No importa cuántos fotones de baja energía choquen contra un electrón, no conseguirán desplazarlo. Veinte niños tirando piedras no llegarán a la otra orilla de un río, aunque cada uno pueda lanzar diez metros y la otra orilla esté a cien metros (obsérvese que, entre los veinte, suman doscientos metros). Un gigante con mucha fuerza, que alcance los doscientos metros él solo, sí podría hacerlo.

La manera de interactuar es la siguiente: Si el fotón tiene energía suficiente, desplaza el electrón a una órbita de más energía y el fotón es absorbido. Si no tiene esa energía, pasa de largo. También puede suceder que el átomo expulse un fotón al pasar un electrón a una órbita de menos energía.

Mis vueltas:

1. A Einstein le podían haber dado el Nobel por varios de sus descubrimientos. Hoy prevalece la importancia de su Teoría de la Relatividad, pero, en ese momento, se pensó que era demasiado pronto para determinar a ciencia cierta su validez. Tan extraña era esta teoría y tan cautos los del comité del Nobel.

2. ¿Qué es eso de que el electrón absorbe al fotón? ¿quiere decirse que los electrones, sea lo que sean, además pueden estar compuestos de fotones? No, quiere decir que un electrón en una órbita de poca energía más un fotón es un electrón en una órbita de más energía, y ya está. Esto es lo que dicen las matemáticas del modelo. El fotón no tiene masa ni carga eléctrica ni nada, sólo energía. ¿Qué metafísica implica esto? Ninguna.