¿Qué es la luz y qué es la realidad?

Solo entendiendo la naturaleza de la luz hemos podido y podremos seguir avanzando en nuestro conocimiento del universo. Llevamos milenios dándole vueltas al asunto, con importantes implicaciones filosóficas

Un arcoíris de fuego sobre Virginia Occidental.
Un arcoíris de fuego sobre Virginia Occidental.Christa Harbig

El avance científico no es más que la punta de lanza de la evolución del pensamiento humano. Pocos, quizás ningún concepto científico actual, incluso los más avanzados como pueden ser las ondas gravitacionales o el ARN mensajero, han surgido espontáneamente, si no más bien son el resultado de un proceso cognitivo y creativo largo, muchas veces infructuoso y abocado al fracaso, otras veces genial, imaginativo, sorprendente y revolucionario. Tratamos hoy sobre uno de esos conceptos científicos, esenciales para la astrofísica, como es la naturaleza de la luz. Entender qué es la luz involucra otros conceptos, nada sencillos a pesar de que hablemos de ellos todos los días, como el de materia, partícula o masa, y la noción de realidad.

Todo está formado por “átomos”, las cosas son divisibles en partes hasta que llegamos a componentes “que no se pueden cortar”, que es lo que etimológicamente significa átomo. Esto es lo que Demócrito de Abdera nos enseñó hace 2500 años.

Hoy cuando hablamos de átomo tenemos en mente otra cosa, y nuestro acervo cultural ya contiene tanto este concepto como el de partículas que componen todo lo que nos rodea. Aquí hemos introducido otro concepto, bastante difícil de definir por cierto, quizás porque es demasiado básico: partícula. En principio, partícula tiene un significado complementario al de átomo: es una parte pequeña de materia, según la RAE. Podemos hablar de partículas de polvo, y los átomos serían partículas con esa definición. Como algo que compone la materia, uno pensaría que una partícula… tiene masa. Pero ¿hay partículas sin masa? De hecho, ¿puede existir algo, más allá de las ideas nos diría Platón, si no tiene masa o volumen? Y si la respuesta es afirmativa, ¿qué significa que algo que existe no tenga masa?

Durante siglos, aún hoy lo hacemos, la naturaleza de la luz, que no parece que sea una cosa que tiene masa, se explicó en términos de rayos imaginarios que inciden en las superficies y pueden atravesarlas, o reflejarse o ser absorbidas. Hace poco más de 300 años, Isaac Newton, aunque no es tan conocido por sus estudios sobre óptica como por la Ley de Gravitación Universal, habló de que la luz estaba compuesta por “partículas de distintos colores”. Más o menos en la misma época, Christiaan Huygens defendió, bastante vehementemente y en contra de las afirmaciones de Newton, que la luz era una onda, algo que le servía para explicar de una manera bastante precisa fenómenos como la reflexión de la luz en un espejo. Este nuevo concepto triunfó en los siglos siguientes, más aún cuando James Clerk Maxwell predijo la existencia de las ondas electromagnéticas, que se identificaron con la luz.

Pero el desarrollo de la física cuántica a principios del siglo XX pareció devolverle la razón a Newton, con una interpretación de la luz más en consonancia con Demócrito. Albert Einstein defendió que la luz estaba compuesta de partículas indivisibles, sin masa ni volumen, paquetes o cuantos de luz como también se empezaron a llamar en esa época: los fotones. Esa descripción le sirvió para explicar la física detrás del llamado efecto fotoeléctrico, que no es más (¡ni menos!) que la descripción de la absorción de luz por parte de la materia y la emisión de electrones cuando se aplica radiación con una cierta energía. Este estudio le sirvió a Einstein ganar el premio Nobel de 1921, aunque tampoco es tan conocido por eso como por la teoría de la Relatividad.

En fin, la historia de la comprensión de qué es la luz es como la pescadilla que se muerde la cola: hemos estado dando vueltas entre partículas y ondas durante milenios. La luz es la base de la astrofísica actual, no en vano todos los nombres mencionados en el párrafo anterior, y otros muy relacionados con los mismos trabajos como Max Planck o Arthur Compton, han servido de inspiración para bautizar a telescopios y misiones de exploración del universo. Y, en general, la naturaleza de la luz es de las preguntas más esenciales que nos hacemos los científicos. De hecho, esa la dualidad onda-partícula de la luz fue extendida a toda la materia, empezando por los electrones, por Louis de Broglie, lo que constituye una de las bases de la física cuántica, nos devuelve a algunas de las preguntas del principio, y nos deja más perplejos que antes: una partícula puede no tener masa y una onda puede tenerla.

El entender la luz como una onda es fundamental para nuestro estudio del universo hoy en día. De hecho, podríamos considerar este cambio de concepto como una revolución esencial para el nacimiento y desarrollo de la astrofísica frente a lo que durante siglos fue la astronomía. Nos costó varias décadas el aplicar esos nuevos conceptos de manera sistemática para explorar el universo, pero el salto cualitativo en astrofísica fue extraordinario. Hablaremos de interferometría o polarización en otro momento, pero hoy queremos acabar este artículo con otra reflexión que lleva milenios entre nosotros.

La dualidad onda-partícula de Broglie se suele explicar diciendo que las propiedades y el comportamiento de algo como la luz pueden describirse como si fuera una onda o una partícula. Esto lleva a pensar que el concepto de onda y otros conceptos físicos, y la ciencia física de manera más general, son una descripción matemática de la realidad. La física describe la realidad con sus herramientas matemáticas, podríamos afirmar. Una onda no sería algo real, solo un artificio matemático, un mero instrumento para conocer lo que existe en el universo. La alternativa es que el universo es física-matemática, algo que ya se discutía como poco hace 2500 años y en Grecia, que sepamos. Pitágoras, más conocido por su teorema sobre triángulos, y Platón posteriormente, pusieron la matemática como la base de la realidad, dándole un valor metafísico u ontológico: no hay descripciones matemáticas de la realidad, sino que la realidad está hecha de matemáticas. Si es así, volviendo a nuestro tema de hoy, que las ondas tengan masa no tendría que ser tan extraño, lo raro provendría de nuestra visión del universo y de las limitaciones del lenguaje, pero tendríamos que encontrar la realidad matemática que equivale a lo que llamamos masa. Algo que quizás ya hayamos hecho.

Pablo G. Pérez González es investigador del Centro de Astrobiología, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y del Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA)

Vacío Cósmico es una sección en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista científico sino también filosófico, social y económico. El nombre “vacío cósmico” hace referencia al hecho de que el universo es y está, en su mayor parte, vacío, con menos de 1 átomo por metro cúbico, a pesar de que en nuestro entorno, paradójicamente, hay quintillones de átomos por metro cúbico, lo que invita a una reflexión sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La sección la integran Pablo G. Pérez González, investigador del Centro de Astrobiología; Patricia Sánchez Blázquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiología

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