8 de diciembre de 2021

Fotones alocados frente a fotones reflexivos

Pablo G. Pérez González
El País

Ya casi no nos acordamos del verano ni de aquellos días cuando nos poníamos unas gafas de sol, nos sentábamos en la orilla del mar, y nos relajábamos. Muchos de nuestros lectores sabrán que es mucho mejor abordar esa actividad contemplativa de la inmensidad del océano con unas gafas de sol polarizadas. Pues bien, eso mismo es lo que hacemos a veces los astrofísicos para estudiar mejor el cosmos: colocarle gafas polarizadas al telescopio. Explicamos qué es eso de la polarización (en física, no en política).

Todo en el universo, por el hecho de estar a una determinada temperatura, emite luz, fotones. Los astros muy calientes, como el Sol, o las bombillas incandescentes, emiten fotones en el rango óptico del espectro electromagnético; nuestros cuerpos, por otro lado, son máquinas de crear fotones menos energéticos, en el infrarrojo.

El mecanismo que crea esos fotones es el resultado de que partículas como los electrones, o los propios átomos y moléculas, cambian de energía, que la física cuántica nos dice que no puede ser cualquiera. Cuando los electrones en un átomo pasan de un nivel energético más alto a otro más bajo emiten esa diferencia de energía en forma de radiación electromagnética, fotones. Como analogía, en una escalera solo podemos estar a alturas determinadas, las de los escalones; si queremos subir, necesitamos energía, de nuestras piernas; si bajamos, justo lo contrario, la perdemos. Esa pérdida de energía entre niveles cuánticos, que serían los escalones para los electrones, se traduce en emisión de fotones. Algo parecido pasa con las moléculas, que tienden a vibrar con unas características concretas (cuantizadas, se dice), cada una con su energía característica. En el proceso de vibración emiten fotones. En este caso, las moléculas son como un diapasón, pero emitiendo ondas electromagnéticas, que es lo mismo que los fotones, en vez de ondas sonoras.

La radiación electromagnética es una onda en la que un campo eléctrico oscila entre 2 valores de manera periódica, acoplado con otra onda formada por un campo magnético, y ambos campos son siempre perpendiculares. ¿Qué es el campo eléctrico? Pues no es más que algo que le dice cómo moverse a una carga eléctrica, por ejemplo, un electrón. Es como una cinta transportadora, que nos dice en el aeropuerto en qué dirección movernos (podríamos ir al contrario, pero nos costaría mucha energía).

Imaginemos una onda electromagnética creada sobre una mesa, de tal manera que el campo eléctrico es siempre perpendicular a la superficie. Un electrón en un determinado punto de la mesa se verá forzado a moverse en perpendicular, hacia arriba separándose de la mesa o hacia abajo metiéndose en ella, por la acción del campo eléctrico. Como estamos hablando de una onda, a veces el campo le dice que se mueva hacia arriba y a veces hacia abajo, oscila periódicamente. La luz que vemos vuelve bastante loco a nuestro electrón del ejemplo, le manda para arriba y para abajo del orden de 600 billones de veces por segundo. Como además la onda se transmite a la velocidad de la luz, al final el electrón se queda más o menos en el mismo sitio. Lo mismo pasa con el campo magnético, que estaría oscilando y apuntando hacia un lado o hacia otro en el plano de la mesa, coordinado con el eléctrico.

En resumen, un fotón es una onda electromagnética oscilando en una dirección determinada. Volviendo a los creadores de luz, los cuerpos no crean un solo fotón, crean multitud de ellos, cada uno con unas propiedades que dependen de cómo estaban vibrando (en qué plano, dirección, o con qué intensidad) los cuatrillones de partículas que hay en la parte más pequeña de un cuerpo que podamos imaginarnos. Normalmente, no todas las moléculas en un cuerpo vibran de la misma forma, las propiedades de cada uno de esos osciladores son bastante aleatorias, así que los fotones creados son ondas cuyo plano de oscilación es aleatorio también. Se dice que la luz no está polarizada cuando los campos no están orientados en ninguna dirección específica. Cada fotón va a su bola, con una alocada combinación de direcciones de oscilación, o sea, polarizaciones. En nuestro ejemplo, el campo eléctrico a veces apunta en perpendicular a la mesa, a veces formando un ángulo diferente, la dirección e intensidad en cada momento están variando continuamente sin ningún patrón.

Si lo normal es que la luz creada por los cuerpos, como es el caso de la del Sol, no tenga ningún plano preferido, ¿por qué usar gafas polarizadas? Volvamos al mar. Las moléculas de agua de la superficie del agua vibran en un plano, el que separa el agua del aire. Así que la radiación no polarizada que viene del Sol incide en las moléculas de agua y estas absorben parte, vibran y emiten en forma de luz reflejada otra parte de la radiación incidente. La radiación reflejada en la superficie del mar está, por tanto, en parte polarizada horizontalmente (que es la dirección de la superficie del agua), tanto más cuanto más grande es el ángulo de incidencia de la luz del Sol o cuánto más lisa es la superficie del agua. Esa luz polarizada es la que vemos como destellos en el mar que normalmente no permiten distinguir lo que está debajo del agua. Unas gafas de sol compuestas por un material cuyas moléculas solo oscilan en una determinada dirección, vertical, solo dejarían pasar los fotones asociados a un campo oscilando verticalmente, con lo que podemos filtrar esa luz polarizada horizontalmente, librarnos de muchos destellos, no deslumbrarnos y ver mucho mejor lo que está debajo del agua. Unas gafas de sol normales no harían el mismo trabajo, la clave es que sean polarizadas. Algo parecido pasa también con la luz no reflejada sino refractada por un medio gaseoso como el aire en la atmósfera, pero con un efecto mucho menos marcado.

Hacer unas “gafas polarizadas” para un telescopio profesional no es tan fácil, normalmente menos de un uno por ciento o incluso menos de solo un uno por mil de la radiación que nos llega de una fuente astronómica puede tener algún tipo de polarización. Pero el potencial es inmenso. Podríamos estudiar las atmósferas de planetas distantes, quizás alguno no muy diferente a la Tierra, evitando ser deslumbrados por la luz de la estrella; o incluso se podrían descubrir exo-océanos, mares en planetas extrasolares. Lo contaremos más en detalle en próximas entregas, por hoy ya hemos hablado mucho de física.

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