Fotones alocados frente a fotones reflexivos

Ya casi no nos acordamos del verano ni de aquellos d¨ªas cuando nos pon¨ªamos unas gafas de sol, nos sent¨¢bamos en la orilla del mar, y nos relaj¨¢bamos. Muchos de nuestros lectores sabr¨¢n que es mucho mejor abordar esa actividad contemplativa de la inmensidad del oc¨¦ano con unas gafas de sol polarizadas. Pues bien, eso mismo es lo que hacemos a veces los astrof¨ªsicos para estudiar mejor el cosmos: colocarle gafas polarizadas al telescopio. Explicamos qu¨¦ es eso de la polarizaci¨®n (en f¨ªsica, no en pol¨ªtica).

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 ¨®ptico del espectro electromagn¨¦tico; nuestros cuerpos, por otro lado, son m¨¢quinas de crear fotones menos energ¨¦ticos, en el infrarrojo.

El mecanismo que crea esos fotones es el resultado de que part¨ªculas como los electrones, o los propios ¨¢tomos y mol¨¦culas, cambian de energ¨ªa, que la f¨ªsica cu¨¢ntica nos dice que no puede ser cualquiera. Cuando los electrones en un ¨¢tomo pasan de un nivel energ¨¦tico m¨¢s alto a otro m¨¢s bajo emiten esa diferencia de energ¨ªa en forma de radiaci¨®n electromagn¨¦tica, fotones. Como analog¨ªa, en una escalera solo podemos estar a alturas determinadas, las de los escalones; si queremos subir, necesitamos energ¨ªa, de nuestras piernas; si bajamos, justo lo contrario, la perdemos. Esa p¨¦rdida de energ¨ªa entre niveles cu¨¢nticos, que ser¨ªan los escalones para los electrones, se traduce en emisi¨®n de fotones. Algo parecido pasa con las mol¨¦culas, que tienden a vibrar con unas caracter¨ªsticas concretas (cuantizadas, se dice), cada una con su energ¨ªa caracter¨ªstica. En el proceso de vibraci¨®n emiten fotones. En este caso, las mol¨¦culas son como un diapas¨®n, pero emitiendo ondas electromagn¨¦ticas, que es lo mismo que los fotones, en vez de ondas sonoras.

La radiaci¨®n electromagn¨¦tica es una onda en la que un campo el¨¦ctrico oscila entre 2 valores de manera peri¨®dica, acoplado con otra onda formada por un campo magn¨¦tico, y ambos campos son siempre perpendiculares. ?Qu¨¦ es el campo el¨¦ctrico? Pues no es m¨¢s que algo que le dice c¨®mo moverse a una carga el¨¦ctrica, por ejemplo, un electr¨®n. Es como una cinta transportadora, que nos dice en el aeropuerto en qu¨¦ direcci¨®n movernos (podr¨ªamos ir al contrario, pero nos costar¨ªa mucha energ¨ªa).

Imaginemos una onda electromagn¨¦tica creada sobre una mesa, de tal manera que el campo el¨¦ctrico es siempre perpendicular a la superficie. Un electr¨®n en un determinado punto de la mesa se ver¨¢ forzado a moverse en perpendicular, hacia arriba separ¨¢ndose de la mesa o hacia abajo meti¨¦ndose en ella, por la acci¨®n del campo el¨¦ctrico. Como estamos hablando de una onda, a veces el campo le dice que se mueva hacia arriba y a veces hacia abajo, oscila peri¨®dicamente. La luz que vemos vuelve bastante loco a nuestro electr¨®n del ejemplo, le manda para arriba y para abajo del orden de 600 billones de veces por segundo. Como adem¨¢s la onda se transmite a la velocidad de la luz, al final el electr¨®n se queda m¨¢s o menos en el mismo sitio. Lo mismo pasa con el campo magn¨¦tico, que estar¨ªa oscilando y apuntando hacia un lado o hacia otro en el plano de la mesa, coordinado con el el¨¦ctrico.

En resumen, un fot¨®n es una onda electromagn¨¦tica oscilando en una direcci¨®n determinada. Volviendo a los creadores de luz, los cuerpos no crean un solo fot¨®n, crean multitud de ellos, cada uno con unas propiedades que dependen de c¨®mo estaban vibrando (en qu¨¦ plano, direcci¨®n, o con qu¨¦ intensidad) los cuatrillones de part¨ªculas que hay en la parte m¨¢s peque?a de un cuerpo que podamos imaginarnos. Normalmente, no todas las mol¨¦culas en un cuerpo vibran de la misma forma, las propiedades de cada uno de esos osciladores son bastante aleatorias, as¨ª que los fotones creados son ondas cuyo plano de oscilaci¨®n es aleatorio tambi¨¦n. Se dice que la luz no est¨¢ polarizada cuando los campos no est¨¢n orientados en ninguna direcci¨®n espec¨ªfica. Cada fot¨®n va a su bola, con una alocada combinaci¨®n de direcciones de oscilaci¨®n, o sea, polarizaciones. En nuestro ejemplo, el campo el¨¦ctrico a veces apunta en perpendicular a la mesa, a veces formando un ¨¢ngulo diferente, la direcci¨®n e intensidad en cada momento est¨¢n variando continuamente sin ning¨²n patr¨®n.

Si lo normal es que la luz creada por los cuerpos, como es el caso de la del Sol, no tenga ning¨²n plano preferido, ?por qu¨¦ usar gafas polarizadas? Volvamos al mar. Las mol¨¦culas de agua de la superficie del agua vibran en un plano, el que separa el agua del aire. As¨ª que la radiaci¨®n no polarizada que viene del Sol incide en las mol¨¦culas de agua y estas absorben parte, vibran y emiten en forma de luz reflejada otra parte de la radiaci¨®n incidente. La radiaci¨®n reflejada en la superficie del mar est¨¢, por tanto, en parte polarizada horizontalmente (que es la direcci¨®n de la superficie del agua), tanto m¨¢s cuanto m¨¢s grande es el ¨¢ngulo de incidencia de la luz del Sol o cu¨¢nto m¨¢s 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 est¨¢ debajo del agua. Unas gafas de sol compuestas por un material cuyas mol¨¦culas solo oscilan en una determinada direcci¨®n, vertical, solo dejar¨ªan 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 est¨¢ debajo del agua. Unas gafas de sol normales no har¨ªan el mismo trabajo, la clave es que sean polarizadas. Algo parecido pasa tambi¨¦n con la luz no reflejada sino refractada por un medio gaseoso como el aire en la atm¨®sfera, pero con un efecto mucho menos marcado.

Hacer unas ¡°gafas polarizadas¡± para un telescopio profesional no es tan f¨¢cil, normalmente menos de un uno por ciento o incluso menos de solo un uno por mil de la radiaci¨®n que nos llega de una fuente astron¨®mica puede tener alg¨²n tipo de polarizaci¨®n. Pero el potencial es inmenso. Podr¨ªamos estudiar las atm¨®sferas de planetas distantes, quiz¨¢s alguno no muy diferente a la Tierra, evitando ser deslumbrados por la luz de la estrella; o incluso se podr¨ªan descubrir exo-oc¨¦anos, mares en planetas extrasolares. Lo contaremos m¨¢s en detalle en pr¨®ximas entregas, por hoy ya hemos hablado mucho de f¨ªsica.

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.

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