El a?o de la luz

Tres estudiosos de las propiedades cu¨¢nticas de la luz han sido galardonados con el Premio Nobel de F¨ªsica 2005. Se trata de Roy J. Glauber, John L. Hall y Theodor W. H?nsch.

La pregunta "?Qu¨¦ es la luz?" ha fascinado a la humanidad desde la m¨¢s remota antig¨¹edad. Seg¨²n el Antiguo Testamento nuestro mundo fue creado con la frase "?H¨¢gase la luz!". Isaac Newton fue uno de los primeros cient¨ªficos en considerar la luz como un flujo de part¨ªculas. Sin embargo, esta idea de la luz como modelo corpuscular fue pr¨¢cticamente abandonada en el siglo XIX, cuando James C. Maxwell describi¨® la luz visible como una onda electromagn¨¦tica. En estas ondas, los campos el¨¦ctricos y magn¨¦ticos oscilan en ciertas frecuencias, relacionadas con los distintos colores que observamos en nuestro entorno.

La invenci¨®n del l¨¢ser y la teor¨ªa de Glauber son el origen de la ¨®ptica cu¨¢ntica

Para Hall y H?nsch el m¨¢ximo placer reside en hacer funcionar las cosas con sus propias manos

A principios del siglo XX, con el desarrollo de la mec¨¢nica cu¨¢ntica, los f¨ªsicos retomaron la idea de la luz corpuscular. Einstein propuso en 1905 entenderla as¨ª para su descripci¨®n de la emisi¨®n de electrones desde superficies met¨¢licas provocadas por la absorci¨®n de luz. No obstante, no fue hasta finales de los cincuenta cuando se empezaron a medir los rayos lum¨ªnicos de una manera precisa para advertir directamente su naturaleza cu¨¢ntica. Por otro lado, pronto empezaron a surgir nuevas fuentes de luz, como los l¨¢seres.

Para comprender estos avances era necesario generar an¨¢lisis te¨®ricos m¨¢s profundos sobre qu¨¦ es la luz y c¨®mo podemos detectar su naturaleza ¨ªntima. La respuesta la proporcion¨® Roy Glauber. Lo que hizo Glauber en el a?o 1963 fue utilizar la naturaleza corpuscular de la luz como punto de partida para formular una teor¨ªa precisa de c¨®mo contar fotones (las part¨ªculas de luz). Al cabo de los a?os, la descripci¨®n cuyos cimientos puso Glauber ha permitido describir diversos tipos de luz, desde la luz l¨¢ser convencional que se utiliza en los lectores de c¨®digos de barras o en los lectores de CD hasta la luz producida para aplicaciones avanzadas, como para criptograf¨ªa cu¨¢ntica.

Roy Glauber naci¨® en 1925 y ya en sus a?os en la escuela mostr¨® su fascinaci¨®n por la ciencia. Todav¨ªa hoy presume de que, siendo un adolescente, puli¨® con sus propias manos espejos para su telescopio casero. Antes de cumplir los 17 a?os fue reclutado para participar en el famoso Proyecto Manhattan. En esos momentos las calculadoras autom¨¢ticas eran pr¨¢cticamente inexistentes y las muy destacadas habilidades matem¨¢ticas de Glauber sirvieron para hacer operaciones a alta velocidad.

Glauber pas¨® varios a?os de su juventud en Suiza junto a Wolfgang Pauli, una de las figuras m¨¢s renombradas en mec¨¢nica cu¨¢ntica. Poco tiempo despu¨¦s se incorpor¨® como catedr¨¢tico en una de las universidades norteamericanas m¨¢s antiguas y m¨¢s prestigiosas, la Universidad de Harvard. All¨ª, en los laboratorios Lyman, formul¨® su teor¨ªa de la medici¨®n de fotones, y todav¨ªa hoy, a sus 80 a?os, sigue investigando e impartiendo clases. Su oficina en Lyman es espectacular en varios sentidos: montones de papeles, libros y revistas reciben a los visitantes, en lo que parece el ejemplo paradigm¨¢tico de desorden. Por supuesto, Glauber es siempre capaz de encontrar lo que busca en su desorden. Glauber es una personalidad pintoresca, conocido por todos por su perspicaz inteligencia y su humor ingenioso. Como cient¨ªfico y profesor es una delicia la claridad de sus presentaciones, y sus art¨ªculos y escritos son a la vez profundos y f¨¢ciles de seguir.

La invenci¨®n del l¨¢ser y la teor¨ªa de Glauber son el origen de lo que hoy llamamos ¨®ptica cu¨¢ntica. Los otros dos cient¨ªficos galardonados este a?o -Theodor H?nsch y John Hall- han ampliado esa disciplina hasta l¨ªmites pr¨¢cticos muy avanzados. Hall y H?nsh reconocieron el gran potencial del l¨¢ser desde el primer momento y se convirtieron en pioneros en la construcci¨®n de nuevos sistemas, us¨¢ndolos como herramientas para aplicaciones cient¨ªficas y t¨¦cnicas. Muchos de los m¨¦todos que inventaron son ahora comunes en los laboratorios l¨¢ser en todo el mundo y algunas de sus invenciones tienen aplicaciones en la vida cotidiana.

La espectroscopia l¨¢ser, por la cual Hall y H?nsch han recibido el premio Nobel, estudia la reacci¨®n de la materia al contacto con la luz o la reacci¨®n de la luz al contacto con la materia. Esto se hace observando los cambios en la luz cuando ¨¦sta interacciona con un material. La espectroscopia l¨¢ser puede distinguir c¨¦lulas cancer¨ªgenas de c¨¦lulas sanas, medir los niveles de glucosa en la sangre, o detectar la presencia de poluci¨®n en la atm¨®sfera. Tambi¨¦n ayuda a entender procesos fundamentales de la naturaleza, como por ejemplo c¨®mo dos ¨¢tomos forman una mol¨¦cula, o si las leyes de la f¨ªsica cambian con el tiempo.

El principal inter¨¦s de Hall y H?nsch ha sido crear sistemas l¨¢ser que aumentaran la precisi¨®n con la que se podr¨ªa determinar la frecuencia de la luz. Esto permite estudiar los detalles m¨¢s sutiles de la naturaleza. Con su ¨²ltima innovaci¨®n, el llamado peine de frecuencias ¨®pticas, un tipo particular de l¨¢ser multicolor, ser¨¢ posible construir relojes at¨®micos o poner a prueba leyes fundamentales con una precisi¨®n sin precedentes, del orden de una parte en 10

18. Se puede apreciar lo extraordinario de esta cifra teniendo en cuenta que corresponder¨ªa a medir la distancia Tierra-Luna con un error menor que el di¨¢metro de un ¨¢tomo. Las innovaciones de Hall y H?nsch tambi¨¦n se usan en los sistemas GPS cada d¨ªa m¨¢s presentes en la vida cotidiana.

Otro aspecto de la espectroscopia l¨¢ser es estudiar qu¨¦ les ocurre a los ¨¢tomos cuando son iluminados por un l¨¢ser. Tambi¨¦n a este respecto los cient¨ªficos premiados han hecho importantes descubrimientos, en particular H?nsch, quien contribuy¨® a la invenci¨®n del enfriamiento mediante luz l¨¢ser. Este m¨¦todo permite preparar ¨¢tomos a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 grados cent¨ªgrados), y es una de las herramientas necesarias para formar los condensados de Bose-Einstein (una forma de materia ultra fr¨ªa, cuya creaci¨®n mereci¨® el Nobel de F¨ªsica en 2001.)

Hall naci¨® en 1934 y se doctor¨® en 1961 en el Carnegie Institute of Technology. Actualmente, trabaja en la Universidad de Colorado, y en el NIST, ambos en EE UU. H?nsch, nacido en 1941, es catedr¨¢tico en la Ludwig-Maximilians-Universit?t (M¨²nich), y director en el Instituto Max-Planck de ?ptica Cu¨¢ntica, en Alemania.

Tanto Hall como H?nsch han mantenido intacta la pasi¨®n por trabajar en el laboratorio. Son dos cient¨ªficos para quienes el m¨¢ximo placer reside en hacer funcionar las cosas con sus propias manos. En palabras de Hall: "Ya me han premiado con s¨®lo darme la oportunidad de seguir trabajando y poder seguir aportando herramientas ¨²tiles". Por su lado, H?nsch, a pesar de ser director de un grupo muy numeroso de cient¨ªficos, mantiene un laboratorio para su uso personal exclusivo, perfectamente equipado con la ¨²ltima tecnolog¨ªa disponible en el mundo, donde pone a prueba sus ideas. Otra faceta com¨²n de Hall y H?nsch es que ambos se aventuraron en crear empresas que comercializan algunas de sus ideas, creando de ese modo riqueza material y puestos de trabajo.

Glauber, H?nsch y Hall son muy queridos por sus colegas cient¨ªficos. Lo son no s¨®lo por sus fenomenales contribuciones cient¨ªficas sino tambi¨¦n por su energ¨ªa, su buen talante y por ser fuente de inspiraci¨®n para las personas que trabajan a su lado. En las apuestas por el Nobel, Glauber, Hall y H?nsch ocupaban los primeros lugares de la lista desde hace un cierto tiempo y hay un consenso muy amplio sobre lo apropiado del premio.

Maciej Lewenstein y J¨¹rgen Eschner son l¨ªderes de grupo en el Instituto de Ciencias Fot¨®nicas (ICFO) de Barcelona. Lewenstein trabaj¨® con Glauber como investigador postdoctoral. Eschner manipula ¨¢tomos individuales, aplicando muchas de las ideas de H?nsch y Hall.