?Qu¨¦ es la luz y qu¨¦ es la realidad?

El avance cient¨ªfico no es m¨¢s que la punta de lanza de la evoluci¨®n del pensamiento humano. Pocos, quiz¨¢s ning¨²n concepto cient¨ªfico actual, incluso los m¨¢s avanzados como pueden ser las ondas gravitacionales o el ARN mensajero, han surgido espont¨¢neamente, si no m¨¢s 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 cient¨ªficos, esenciales para la astrof¨ªsica, como es la naturaleza de la luz. Entender qu¨¦ es la luz involucra otros conceptos, nada sencillos a pesar de que hablemos de ellos todos los d¨ªas, como el de materia, part¨ªcula o masa, y la noci¨®n de realidad.

Todo est¨¢ formado por ¡°¨¢tomos¡±, las cosas son divisibles en partes hasta que llegamos a componentes ¡°que no se pueden cortar¡±, que es lo que etimol¨®gicamente significa ¨¢tomo. Esto es lo que Dem¨®crito de Abdera nos ense?¨® hace 2500 a?os.

Hoy cuando hablamos de ¨¢tomo tenemos en mente otra cosa, y nuestro acervo cultural ya contiene tanto este concepto como el de part¨ªculas que componen todo lo que nos rodea. Aqu¨ª hemos introducido otro concepto, bastante dif¨ªcil de definir por cierto, quiz¨¢s porque es demasiado b¨¢sico: part¨ªcula. En principio, part¨ªcula tiene un significado complementario al de ¨¢tomo: es una parte peque?a de materia, seg¨²n la RAE. Podemos hablar de part¨ªculas de polvo, y los ¨¢tomos ser¨ªan part¨ªculas con esa definici¨®n. Como algo que compone la materia, uno pensar¨ªa que una part¨ªcula¡­ tiene masa. Pero ?hay part¨ªculas sin masa? De hecho, ?puede existir algo, m¨¢s all¨¢ de las ideas nos dir¨ªa Plat¨®n, si no tiene masa o volumen? Y si la respuesta es afirmativa, ?qu¨¦ significa que algo que existe no tenga masa?

Durante siglos, a¨²n hoy lo hacemos, la naturaleza de la luz, que no parece que sea una cosa que tiene masa, se explic¨® en t¨¦rminos de rayos imaginarios que inciden en las superficies y pueden atravesarlas, o reflejarse o ser absorbidas. Hace poco m¨¢s de 300 a?os, Isaac Newton, aunque no es tan conocido por sus estudios sobre ¨®ptica como por la Ley de Gravitaci¨®n Universal, habl¨® de que la luz estaba compuesta por ¡°part¨ªculas de distintos colores¡±. M¨¢s o menos en la misma ¨¦poca, Christiaan Huygens defendi¨®, bastante vehementemente y en contra de las afirmaciones de Newton, que la luz era una onda, algo que le serv¨ªa para explicar de una manera bastante precisa fen¨®menos como la reflexi¨®n de la luz en un espejo. Este nuevo concepto triunf¨® en los siglos siguientes, m¨¢s a¨²n cuando James Clerk Maxwell predijo la existencia de las ondas electromagn¨¦ticas, que se identificaron con la luz.

Pero el desarrollo de la f¨ªsica cu¨¢ntica a principios del siglo XX pareci¨® devolverle la raz¨®n a Newton, con una interpretaci¨®n de la luz m¨¢s en consonancia con Dem¨®crito. Albert Einstein defendi¨® que la luz estaba compuesta de part¨ªculas indivisibles, sin masa ni volumen, paquetes o cuantos de luz como tambi¨¦n se empezaron a llamar en esa ¨¦poca: los fotones. Esa descripci¨®n le sirvi¨® para explicar la f¨ªsica detr¨¢s del llamado efecto fotoel¨¦ctrico, que no es m¨¢s (?ni menos!) que la descripci¨®n de la absorci¨®n de luz por parte de la materia y la emisi¨®n de electrones cuando se aplica radiaci¨®n con una cierta energ¨ªa. Este estudio le sirvi¨® a Einstein ganar el premio Nobel de 1921, aunque tampoco es tan conocido por eso como por la teor¨ªa de la Relatividad.

En fin, la historia de la comprensi¨®n de qu¨¦ es la luz es como la pescadilla que se muerde la cola: hemos estado dando vueltas entre part¨ªculas y ondas durante milenios. La luz es la base de la astrof¨ªsica actual, no en vano todos los nombres mencionados en el p¨¢rrafo anterior, y otros muy relacionados con los mismos trabajos como Max Planck o Arthur Compton, han servido de inspiraci¨®n para bautizar a telescopios y misiones de exploraci¨®n del universo. Y, en general, la naturaleza de la luz es de las preguntas m¨¢s esenciales que nos hacemos los cient¨ªficos. De hecho, esa la dualidad onda-part¨ªcula 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 f¨ªsica cu¨¢ntica, nos devuelve a algunas de las preguntas del principio, y nos deja m¨¢s perplejos que antes: una part¨ªcula 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 d¨ªa. De hecho, podr¨ªamos considerar este cambio de concepto como una revoluci¨®n esencial para el nacimiento y desarrollo de la astrof¨ªsica frente a lo que durante siglos fue la astronom¨ªa. Nos cost¨® varias d¨¦cadas el aplicar esos nuevos conceptos de manera sistem¨¢tica para explorar el universo, pero el salto cualitativo en astrof¨ªsica fue extraordinario. Hablaremos de interferometr¨ªa o polarizaci¨®n en otro momento, pero hoy queremos acabar este art¨ªculo con otra reflexi¨®n que lleva milenios entre nosotros.

La dualidad onda-part¨ªcula 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 part¨ªcula. Esto lleva a pensar que el concepto de onda y otros conceptos f¨ªsicos, y la ciencia f¨ªsica de manera m¨¢s general, son una descripci¨®n matem¨¢tica de la realidad. La f¨ªsica describe la realidad con sus herramientas matem¨¢ticas, podr¨ªamos afirmar. Una onda no ser¨ªa algo real, solo un artificio matem¨¢tico, un mero instrumento para conocer lo que existe en el universo. La alternativa es que el universo es f¨ªsica-matem¨¢tica, algo que ya se discut¨ªa como poco hace 2500 a?os y en Grecia, que sepamos. Pit¨¢goras, m¨¢s conocido por su teorema sobre tri¨¢ngulos, y Plat¨®n posteriormente, pusieron la matem¨¢tica como la base de la realidad, d¨¢ndole un valor metaf¨ªsico u ontol¨®gico: no hay descripciones matem¨¢ticas de la realidad, sino que la realidad est¨¢ hecha de matem¨¢ticas. Si es as¨ª, volviendo a nuestro tema de hoy, que las ondas tengan masa no tendr¨ªa que ser tan extra?o, lo raro provendr¨ªa de nuestra visi¨®n del universo y de las limitaciones del lenguaje, pero tendr¨ªamos que encontrar la realidad matem¨¢tica que equivale a lo que llamamos masa. Algo que quiz¨¢s ya hayamos hecho.

Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez es investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas y del Instituto Nacional de T¨¦cnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA)

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n 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 cient¨ªfico sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de 1 ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La secci¨®n la integran Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez, investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa; Patricia S¨¢nchez Bl¨¢zquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa

Puedes seguir a MATERIA en Facebook, Twitter e Instagram, o apuntarte aqu¨ª para recibir nuestra newsletter semanal.