Hay pocas cosas tan maravillosamente mágicas como una ventana. Desde el silencio y la comodidad del salón, contemplamos el estallido violáceo que nos regalan los floridos jacarandás desde la calle. La rigidez del vidrio que nos aísla del exterior parece un fantasma inmaterial para los rayos de luz que la atraviesan impasibles. Una mosca atrapada en el interior intenta imitarlos infructuosamente. Ignorante de los principios de la mecánica cuántica, se golpea una y otra vez la cabeza contra lo que para ella es una barrera infranqueable. Nos resulta divertido el esfuerzo inútil del insecto, suponiéndolo producto de su ingenuidad. Un único impacto debería ser suficiente para comprender la conveniencia de un cambio de estrategia.

Los pensamientos de la mosca, sin embargo, quizás sean merecedores de mayor atención.

Sucede que cuando miramos a través de la ventana no sólo vemos el exterior. Además, podemos ver una reflexión especular de nosotros mismos. Así, cuando saludamos al vecino que pasea por la vereda, vemos superpuesta una imagen tenue de nuestro gesto en el cristal. Y es que la luz no siempre atraviesa el vidrio. Parte de ella se refleja. Es lo que se conoce como reflexión parcial de la luz. La mosca podría pensar, por lo tanto, que sólo ha tenido mala suerte. Que sus continuos choques en el vidrio son similares a los que experimenta esa porción de luz que se refleja. Pero que tarde o temprano tendrá la suerte de aquellos otros rayos, los que atraviesan la ventana. Esos que llevaron la alegría arbórea de las veredas de nuestro barrio al salón de nuestra casa.

NEWTON Y LA LUZ

Isaac Newton pensaba que la luz estaba compuesta de partículas. Imaginaba un rayo de luz como un caudal de pequeños corpúsculos, una visión que hacía de la reflexión parcial un fenómeno particularmente misterioso. Una partícula fundamental es indivisible. No puede un trozo de ella seguir un camino mientras el resto sigue otro. Acaso algunos corpúsculos reboten mientras otros siguen de largo, razona la mosca. De ser así, lo que suceda microscópicamente con cada corpúsculo de luz al llegar al vidrio es de capital interés para sus ansias de libertad.

La primera idea que se le viene a la cabeza es desesperanzadora. Quizás el vidrio es un material poroso y las partículas de luz pasan por sus minúsculos agujeros, inservibles para ella. La reflexión parcial sería consecuencia de que no todos los corpúsculos que forman parte de un rayo de luz le aciertan a un agujero. Una idea atractiva pero errónea. El propio Newton concluyó que esto no podía ser así. En el segundo libro de su obra Opticks consideró esta posibilidad. La proposición XIII dice claramente: “La causa de la reflexión no es la incidencia de los rayos de luz en las partes sólidas o impenetrables de los cuerpos, como se cree comúnmente”. La mosca puede sentir el consuelo de compartir su fallida teoría con el resto de los humanos del siglo XVII.

Una segunda razón provenía de la experiencia de Newton en el pulido de lentes. Un vidrio mal pulido es opaco. A medida que vamos afinando el tamaño de la lija, el cristal se va haciendo transparente, hasta llegar a una claridad óptima. Pero aun el pulido más fino ocurre a una escala mucho más gruesa que aquella de los supuestos poros del material. El vidrio sigue siendo a nivel microscópico una superficie muy irregular, por lo que la posibilidad de pulir un vidrio hasta hacerlo transparente parece contradecir la teoría de la porosidad.

Intentando comprender la naturaleza de la luz, Newton repitió en 1717 una curiosa experiencia realizada por Robert Hooke unas décadas antes. Fabricó una lente con un lado plano y otro esférico, la apoyó sobre una superficie clara y la iluminó verticalmente. El resultado fue una secuencia de círculos concéntricos de luz y sombra que hoy se conocen como anillos de Newton. Agudizó al máximo su indiscutible genio para la ardua tarea de reconciliar este fenómeno con su teoría corpuscular de la luz. Ya no se trataba sólo de la transparencia de la lente. El fenómeno observado era mucho más complejo. El genial catedrático de Cambridge se aferraba a una teoría que ya había sido abandonada en Europa.

El holandés Christiaan Huygens había comunicado a la Academia de Ciencias de París, en 1678, su teoría de la luz según la cual ésta no estaba compuesta por partículas sino que se trataba de un fenómeno ondulatorio como el sonido. La reflexión parcial de las ondas no reviste ningún misterio. Las ondas no son indivisibles y pueden distribuir su energía en distintas direcciones al encontrar un obstáculo. La teoría de Huygens de la luz daba perfecta cuenta de los anillos de Newton, ya que las ondas pueden tener interferencia destructiva cuando el máximo de una se encuentra con el mínimo de otra. Cuando James Clerk Maxwell demostró que la luz era una onda de campos eléctricos y magnéticos, la teoría corpuscular de Newton llevaba casi dos siglos abandonada.

LA LUZ DE FEYNMAN

“Corpúsculo viene de cuerpo”, pensó la mosca, entristecida al comprobar el nulo carácter ondulatorio de su organismo. Pero sus esperanzas podrían haberse renovado si hubiera escuchado sobre los resultados de un bello experimento realizado por Heinrich Hertz en 1887, en el que mostraba que era más fácil generar un arco voltaico (una chispa, como en una bujía) entre dos terminales eléctricos cuando éstos eran iluminados. La luz era capaz de arrancar electrones de los metales, haciendo posible la conducción eléctrica. El experimento se fue sofisticando con el tiempo, hasta que se pudo observar un aspecto extraordinariamente peculiar de este fenómeno, que le devolvió a la mosca el alma al cuerpo.

De acuerdo a la teoría ondulatoria de la luz uno esperaría que, al aumentar la intensidad, la cantidad de electrones liberados y la velocidad con que son emitidos aumente. Del mismo modo en que las palmeras de una playa son arrancadas de cuajo por un tsunami pero se mantienen firmes, en su sitio, cuando las alcanza el oleaje. Sin embargo, por sorprendente que parezca, esto no es lo que ocurre en el experimento de Hertz. Si se ilumina el metal con luz de mayor longitud de onda, lo que comúnmente llamamos luz infrarroja, el fenómeno desaparece por completo, sin importar la intensidad. Como si se tratara de un tsunami inocuo ante el cual los electrones permanecen indiferentes. Al disminuir la longitud de onda, llevando la luz hacia el ultravioleta, el arco voltaico se produce en un momento preciso, distinto para diferentes metales.

Esto no parece tener ningún sentido. La longitud de onda de la luz es lo que el ojo humano percibe como su color. ¿Por qué los electrones habrían de elegir dar un salto al vacío desde el interior de un metal sólo cuando son iluminados por determinados colores, sin importar la intensidad de la luz? El misterio de este fenómeno se desplomó bajo la mente prodigiosa de un joven empleado de patentes que, en 1905, vino a decir que Newton, después de todo, parecía tener razón. La luz, al menos en ciertas circunstancias, se comporta como una partícula, a la que hoy llamamos fotón. La explicación que Albert Einstein dio al fenómeno observado por Hertz, el efecto fotoeléctrico, es que los fotones asociados con la luz de menor longitud de onda tienen más energía. Así, un fotón rojo es menos energético que uno azul.

Para arrancar un electrón del metal, éste debe ser golpeado por un fotón suficientemente energético. Del mismo modo en que la guillotina es efectiva cuando cae desde cierta altura produciendo un golpe seco, y no ocasiona más que un rasguño si se deja caer muchas veces a un milímetro del cuello, un fotón muy energético no puede ser reemplazado por un número grande de fotones de baja energía. La explicación de Einstein, quien al mismo tiempo hacía añicos buena parte del legado científico de Newton, le hizo merecedor del premio Nobel y permitió desempolvar nuevamente la teoría corpuscular de la luz, haciendo retroceder dos siglos nuestra comprensión. En apariencia.

Hermanada nuevamente con la luz en su condición de corpúsculo, la mosca se apresta a impactar el cristal con todas sus fuerzas. Sin embargo, temerosa del resultado, prefiere darle una vuelta más al asunto. No es que desconfíe de Einstein, pero hay algo que no le cierra. Si la luz es corpuscular, ¿cómo explicar los anillos de Newton? Más sencillo aún, ¿cómo explicar su propia imagen reflejada en la ventana? La mosca tuvo la repentina certeza de encontrarse frente a una paradoja. La luz era una onda. Pero también un corpúsculo. Sin saberlo, el curso de su pensamiento siguió los mismos pasos que el de un grupo de jóvenes físicos que supieron ver en la explicación de Einstein del efecto fotoeléctrico el inicio de una revolución científica: el nacimiento de la física cuántica.

La única explicación posible que conocemos para la reflexión parcial de la luz, siendo ésta un corpúsculo, llegó demasiado tarde para saciar la curiosidad de Newton. Es improbable, en cualquier caso, que una respuesta como la que brinda la física cuántica hubiese conformado al irascible genio inglés. De hecho, la respuesta no dejó tranquilo a nadie. Richard Feynman, quien ganó el premio Nobel por sus contribuciones a la física cuántica de la luz (electrodinámica cuántica), afirmaba: “Puedo decir con certeza que nadie entiende la física cuántica”. Es que la solución al dilema es que el fotón llega al vidrio y toma ambos caminos simultáneamente (el que lo atraviesa y aquél en el que rebota). Cuando un observador lo busque, sin embargo, lo encontrará sólo en un lugar. La física sólo puede decirnos la probabilidad de encontrarlo a cada lado del vidrio. “La electrodinámica cuántica describe la naturaleza como absurda desde la perspectiva del sentido común”, decía Feynman. “Pero está totalmente de acuerdo con los experimentos. Así que espero que acepten a la naturaleza tal como es: absurda”.foto