Línea de tiempo: Huygens, Newton, Planck, Einstein, una revolución quirúrgica y un garrulo de estadio

Un fascinante modo de ver el desarrollo científico y su efecto en la civilización, es seguir líneas de acontecimientos conectados a lo largo del tiempo, rastrear una pista que salta entre épocas, países y campos de la ciencia aparentemente lejanos. Quizás el mejor ejemplo de esto sea aquella mítica serie documental de finales de los años 70: Connections(en español “Relaciones” o “Conexiones”, según país), producida por la BBC y presentada por James Burke. Recomiendo a quienes no la hayan visto que intenten pillar algún capítulo; algo hay por youtube.

Sin pretender emular al gran comunicador Burke, pues carezco de conocimientos y medios para ello, me interesaría tirar del hilo de algunos temas que empezaron en las mentes de genios o visionarios y terminaron en lugares insospechados, uniendo en un timeline los puntos más interesantes de la historia.

El cuento de hoy trata de la luz, de cómo el ingenio humano logró comprender su naturaleza y cómo se llegó a la asombrosa proeza de domesticar la luz para utilizarla con fines diferentes al de alumbrar.

Advertencia: la cosa va de física, y yo de eso sé más bien poco y comprendo menos, así que ruego indulgencia por la pedestre visión fotónica que ofreceré a continuación. Si algún lector con mayor criterio detecta inconsistencias graves o metidas de gamba le agradeceré que me lo corrija.

Agrios debates sobre la naturaleza de la luz

Pasemos por alto las ideas de los antiguos acerca de la luz, más afines a la filosofía que a la ciencia, y comencemos en el siglo XVII, cuando la evidencia acumulada permitió trazar la primeras teorías. Como sabréis, se trataba de dos tendencias opuestas y defendidas por sus respectivos bandos: la teoría ondulatoria y la teoría corpuscular.

La teoría ondulatoria definía a la luz como una onda, similar al sonido o a las ondas mecánicas sobre el agua. Ello explicaba fenómenos como la difracción o la interferencia. Esta teoría fue establecida por el holandés Christiaan Huygens (1629-1695), polifacético científico que describió los anillos de Saturno y colaboró con Leewenhoek en el desarrollo del microscopio: juntos descubrieron los espermatozoides (prefiero no imaginar el proceso). Huygens estaba apoyado por el inglés Robert Hooke (1635-1703), también polifacético, cuyo campo iba desde la astronomía (descubrió Urano y la mancha roja de Júpiter) hasta lo microscópico (fue el primero en acuñar célula en referencia a la estructura de los seres vivos).

Huygens y Newton

Christiaan Huygens (izq.) e Isaac Newton (der.), creadores de las teorías ondulatoria y corpuscular de la luz, respectivamente. (imagen vía eltamiz.com)

Por el contrario, la teoría corpuscular, defendida ni más ni menos que por Newton (1642-1727), suponía la luz como un chorro de partículas de distintos tamaños que viajaban en línea recta. Esto explicaba bien otras propiedades de la luz como la formación de sombras, la reflexión, la refracción y la descomposición de la luz blanca en colores. Cuando Newton publicó sus observaciones le cayeron palos dialécticos por parte de Huygens y de Hooke. Esta dupla tampoco apoyó a Newton con su ley de la gravitación; si bien Newton tuvo cierta deferencia hacia Huygens, con Hooke hubo una abierta enemistad a muerte.

Al final triunfó la teoría corpuscular de Newton, básicamente apoyada por el enorme prestigio de su impulsor.

Vuelven las ondas

La luz formada por partículas fue dogma de fe durante el s.XVIII pero, a lo largo del s.XIX, se acumuló evidencia que echaba por tierra la teoría corpuscular. Augustine-Jean Fresnel (1788-1827, sí, el mismo de las lentes de Fresnel que se usan en estrabología) estudió el fenómeno de polarización de la luz, sólo explicable si ésta está formada por ondas.

Más tarde el insigne Faraday (1791-1867) aunó los fenómenos de luz y electricidad con el de los campos magnéticos y a partir de entonces se comenzó a hablar de ondas electromagnéticas para referirse al espectro de la luz. La puesta en limpio de los trabajos de Faraday hecha por James Clerk Maxwell (1831-1879) dio la aparente puntilla a la luz corpuscular en favor de las ondas.

faraday_maxwell

Michael Faraday (izq.) y James Maxwell (der.), cracks del electromagmetismo.

Que no, hombre, que son partículas

Como la ciencia es asín, no todo cuadraba para las ondas electromagnéticas. En 1887 el físico Heinrich Hertz (en cuyo honor se bautizó la unidad de frecuencia hertzio) intentaba comprobar experimentalmente los cálculos de Maxwell, pero se olió algo raro al observar que la longitud de un arco voltaico aumentaba si los electrodos eran iluminados con luz ultravioleta. Traducción: la luz que incide sobre el metal aumenta la facilidad de desprendimiento de sus electrones y, por tanto, facilita la conducción eléctrica. A esto se le llamó efecto fotoeléctrico. Tal efecto no podía explicarse mediante ondas, pero sí por una luz formada por partículas que chocaran contra los electrones del metal.

Otro fenómeno que tampoco se explicaba mediante ondas electromagnéticas era la radiación térmica de los cuerpos físicos. Por ejemplo, a nuestra temperatura corporal irradiamos calor en forma de emisión infrarroja debido a la transformación de energía térmica en energía electromagnética: esto se llama emisión de cuerpo negro. Pero su cálculo no cuadraba.

Hasta que apareció una de las cabezotas más prodigiosas de nuestra especie, Max Planck (1858-1947), y en el año 1900 presentó el concepto de la radiación electromagnética emitida en forma de paquetes de energía y no como onda. A esos paquetes los llamó cuantos y así, amiguitos, fue como nació la física cuántica, y las cuentas comenzaron a cuadrar.

Esto cada vez se pone más incomprensible para las mentes de a pie. Se volvía a estar como al principio: ¿era la luz onda o partículas?

Planck y Einstein

Max Planck y Albert Einstein, casi ná.

Aquí es cuando apareció Einstein

En 1905 Einstein era un desconocido oficinista en Berna, alejado del mundillo académico. Lo bueno se ser físico teórico es que no se requiere un laboratorio, así que Einstein podía realizar su trabajo sin estar adscrito a una universidad. En dicho año publicó una serie de artículos, sobre varios temas, que significó un vuelco en la física. En uno de estos trabajos (he aquí el facsímil), Einstein explicaba el efecto fotoeléctrico aplicando la teoría de cuantos de Planck.

La explicación era así: la luz está formada por partículas o cuantos lumínicos (fotones, para los amigos). Cuando estos fotones chocan contra los átomos de una superficie metálica la energía liberada hace “saltar” electrones, de modo que se facilita la inducción de una corriente eléctrica.

efecto fotoeléctrico

Mecanismo del efecto fotoeléctrico para dummies: los fotones impactan contra los electrones del metal del electrodo y los hacen saltar, facilitando así el flujo de una corriente eléctrica. Esto ocurre con luz en rango ultravioleta (de alta energía), pero no en rango infrarrojo.

El desarrollo posterior en este campo ha demostrado que al fin y al cabo la luz tiene una naturaleza dual, partícula-onda. Viaja como onda e interacciona con la materia como partícula.

¿Y a mí qué más me da todo esto?

Sinceramente, para qué carajo interesa saber estas cosas. Eso son onanismos mentales de nerds sin oficio ni vida social. Qué más da que el efecto fotoeléctrico se use en la obtención de la limpia energía solar, o que permita el uso de cámaras fotográficas digitales, fotocopiadoras, detectores de movimiento (como ese tan tonto que evita que se cierre la puerta del ascensor cuando alguien va a entrar) y en mil artilugios electrónicos de uso diario.

Einstein amplió su trabajo y en 1917 estableció la posibilidad de aprovechar la estimulación fotónica no para inducir corriente eléctrica, sino para estimular la emisión de radiación electromagnética. ¿Jodido de entender? Pues ya veréis la transcendencia de esto.

El cuento está en que los electrones de un átomo pueden estar en diferentes niveles de energía; podríamos imaginarlos como ubicados en plantas a distintas alturas, de modo que un electrón de energía mínima estaría en la primera planta y al aumentar su energía sube a la segunda o tercera o según cuántas plantas disponga el átomo. Cuando pierde energía el electrón retorna a una planta inferior. Ese cambio de nivel energético puede ser espontáneo o estar inducido por la absorción de un fotón: el electrón absorbe la energía del fotón y salta a un nivel superior, o bien emite un fotón y baja a un nivel inferior.

¿Y si un electrón ya estimulado y ubicado en un nivel alto de energía absorbe un nuevo fotón? Pues resulta que el electrón “peta” y emite dos fotones, el que había absorbido y otro que lo hace bajar a un nivel inferior. A su vez estos fotones pueden impactar contra otros átomos excitados que emitirán más fotones y seguir una reacción en cadena. Esto es una emisión amplificada de fotones. Einstein vislumbró la posibilidad de utilizar este efecto para obtener haces puros de radiación electromagnética concentrada.

Emisión estimulada de radiación. Fotón verbenero.

Emisión de radiación por estimulación fotónica, explicado en términos asimilables por legos en física, como el tío que hizo el dibujo.

La URSS y USA tras los rayos MASER

Lo que Einstein sugirió en 1917 no se retomó hasta pasada la catástrofe de la Segunda Guerra Mundial. Investigadores tanto en USA como en la URSS intentaron poner en práctica la emisión amplificada de radiación y ambos grupos lo intentaron con las microondas, radiación ubicada entre los infrarrojos y las ondas de radio. Ahora todos tenemos emisores de microondas en la cocina, pero en los años 40 los nazis intentaron sin éxito fabricar cañones de microondas para freír a sus enemigos a distancia.

En USA estaba Charles Townes (1915-2015 –ver adenda al final–), antiguo empleado de la compañía Bell, ducho en microondas tras diseñar radares militares. Townes pasó a la Universidad de Columbia para seguir estudiando las microondas aplicadas a la espectrometría. En 1954 publicó una letter comunicando la construcción de un cacharro que producía “microondas amplificadas mediante emisión estimulada de radiación”, lo que en inglés vienen a ser las siglas MASER: Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”. 

Townes usó amoníaco, molécula maloliente pero de interesantes propiedades fisicoquímicas, como material excitable para su máser. A la sazón los rusos Aleksandr Projorov (1916-2002) y Nikolai Basov (1922-2001), del Instituto Lebedev, desarrollaron un artefacto similar usando como sustrato CsF (fluoruro de cesio, para los de la Logse) y lo publicaron el mismo año que Townes. Actualmente los máseres se emplean en relojes atómicos y en radiotelescopios.

Townes, Basov y Projorov

Charles Townes, Nikolai Basov y Aleksandr Projorov, padres del máser. Recibieron conjuntamente el Nobel de Física de 1964. (Foto vía osfundamentosdafisica.blogspot.com.es)

Una guerra de patentes y un invento que resultó la re-hostia

Townes y A. Schawlow indicaron que el máser podría ajustarse para funcionar con otras longitudes de onda, como infrarrojos o luz visible. A Gordon Gould, un doctorando de Columbia, se le ocurrió que el nombre de este máser óptico quedaría más majo sustituyendo microondas por luz, con lo que el acrónimo quedaba LASER (“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation).

Sin embargo no fue Gould quien convirtió el láser en realidad. Lo que sí ocurrió fue que, visto el éxito del invento, Gould quiso hacer valer su mérito como propietario intelectual del láser y pasó dos décadas en los tribunales, enseñando su cuadernillo del laboratorio (notariado, eso sí) donde demostraba su anotación del láser. Al final, en 1977, le permitieron obtener una patente.

Theodor Maiman

Theodore Maiman posando con los componentes del primer láser.

Quien construyó el primer láser operativo fue Theodore Maiman (1927- ), de la Hughes Aircraft Co. de California. Maiman usó un cilindro de rubí sintético (óxido de aluminio y cromo) de 1cm cuyas dos bases eran espejos de plata, uno de 100% de reflectancia y otro al 95%. El rubí estaba rodeado por una lámpara espiral que emitía luz pulsada de alta intensidad. Cada flash de luz estimulaba los átomos de cromo del rubí y desencadenaba la emisión de fotones; estos rebotaban repetidamente entre ambos espejos y generaban más fotones aún, todos de la misma longitud de onda de 694,3 nm y todos con la misma dirección. El rayo láser emergía a través del espejo de menor reflectancia. Maiman publicó su trascendental logro en el número del 6 de agosto de 1960 de Nature (ver aquí), una sola página, concisa, con dos figuras y 4 referencias. Para qué más.

Finalmente se había logrado domesticar la luz.

Mecanismo del láser de Maiman

Modelo del láser de rubí de Maiman. Se muestran los tres componentes básicos de un láser: núcleo (en este caso, barra de rubí), espejos en los extremos del núcleo y fuente de estimulación (en este caso, lámpara espiral). Vía www.mechanicalengineeringblog.com. En este vídeo se explica bien su funcionamiento.

Características del láser

Dos son las propiedades que hacen del láser algo único:

  1. Longitud de onda precisa: a diferencia de la luz blanca, que suma todas las longitudes visibles, o de las luces de colores producidas por filtros, que emiten en un rango de longitudes, el láser tiene una longitud de onda única y precisa, monocromática, cuyo valor depende de la sustancia excitable del núcleo del láser. Tal núcleo puede ser cristalino como el rubí original, o ser un tubo de gas (CO2 o un gas noble) o incluso un colorante orgánico (dye laser). Hay la tira de tipos.
  2. Coherencia: la luz de cualquier bombilla irradia en múltiples direcciones, por lo que para obtener un haz más o menos unidireccional hay que colimarlo por medios ópticos que reduzcan su difracción; en cambio los fotones generados en el láser llevan todos la misma dirección y están en la misma fase, es decir, es un haz coherente.

¿Qué efecto tiene un rayo láser al impactar contra algo? Se trata de un haz concentrado de luz muy pura, que al actuar sobre una superficie genera calor en la misma: puede quemar, vaporizar o incluso cortar con exquisita precisión. Pronto se usó el láser para infinitas aplicaciones en la industria y también sobre el propio ser humano.

Una revolución en Medicina y Cirugía.

Si el láser corta, quema, coagula y vaporiza, todo ello con precisión y controlabilidad sin precedentes, ¿cómo no se les haría el culo pepsicola a los cirujanos por aplicar el láser en su faena? Las dos primeras áreas donde triunfó el láser fueron oftalmología y dermatología. Tiene su encanto que el primer órgano beneficiado de la domesticación de los fotones haya sido aquél que puede percibirlos: el ojo.

Tan solo un año tras la publicación de Maiman, apareció en Science el primer artículo sobre el efecto del láser de rubí en la retina de conejos, firmado por M. Zaret y L. Solon, aunque estaba orientado a la seguridad laboral de los usuarios de láser. El uso terapéutico se desarrolló a lo largo de la década de los 60 y los pioneros fueron tres grupos liderados respectivamente por C.J. Campbell, H.C. Zweng y F.A. L’Esperance, todos en USA. Primero se comparó el láser rubí con la fotocoagulación retiniana mediante lámpara de xenón (inventada por la Zeiss a finales de los 50), posteriormente se probó el láser de argón, cuya longitud de onda permite mejor absorción por el pigmento retiniano y la hemoglobina.

primer láser de argón para uso clínico, utilizado por Francis L'Esperance en 1968.

Todo este cacharraje era el primer láser de argón para uso clínico, utilizado por Francis L’Esperance en 1968. (tomado de su artículo original)

L’Esperance solicitó prestado un láser de argón que la compañía Raytheon había fabricado con fines bélicos (pero inútil como arma). Se trataba de un armatoste de 3,5 m de ancho que no cabía en ningún ascensor, y que una compañía de mudanzas intentó subir hasta la 9ª planta del hospital donde el investigador tenía su despacho. La cosa es que mientras ascendían aquel monstruo por el exterior del edificio, se desprendió algún amarre y el cacharro se estampó contra el suelo. Un segundo láser después se pudo probar su eficacia en la fotocoagulación retinana, y desde entonces el amor entre el láser argón y los retinólogos sigue tan tierno como el primer día.

Tantas son las aplicaciones del láser en oftalmología (ver tabla adjunta) que muchas personas piensan que TODO en el ojo se cura mediante láser, y hasta lo miran a uno como una mierdecilla cuando explica que una determinada operación se hace a mano, cortando y cosiendo.

Aplicaciones habituales del láser en Oftalmología

Tipo
de láser

Aplicaciones

Indicaciones

Argón 512
/532 nm

Fotocoagulación retiniana

Retinopatía diabética, edema macular, desgarros y desprendimientos de retina

Trabeculoplastia / iridoplastia

Glaucoma

Nd:YAG

 

 

1064 nm

Iridotomía

Capsulotomía

Glaucoma

Opacificación capsular

  532 nm

Similar a láser Argón

 

Excimer 193 nm

Cirugía corneal ablativa: LASIK, PTK, PRK

Corrección de defectos refractivos, eliminación de opacidades superficiales, erosión recidivante

Femtosegundo

Cirugía corneal

Queratoplastia penetrante o lamelar, anillos estromales

CO2
1064 nm

Cirugía oculoplástica y
cosmética

Corte y coagulación, resurfacing

Diodo

 

 

690 nm

Terapia fotodinámica

DMAE, lesiones vasculares retinianas

810 nm

Ciclofotocoagulación

Glaucoma refractario

 

Termoterapia transpupilar

Lesiones vasculares y tumores en coroides y EPR

980 nm

DCR transcanalicular

Obstrucción de vías lacrimales

Pruebas
diagnósticas

OCT
(tomografía de coherencia óptica espectral)

Biomicroscopía retiniana y de segmento anterior

Microscopía
confocal

Biomicroscopía de segmento anterior

Biometría
por interferometría

Cálculo de potencia de lentes intraoculares previo a cirugía de cataratas

Ciertamente no hay área de la Medicina que no se beneficie del uso del láser, sea en el quirófano, la consulta o el laboratorio. Esto sí que es Medicina Cuántica de verdad, y no esa paparrucha esotérica que venden ciertos degenerados quienes apenas pueden usar matemáticas elementales y son absolutamente incapaces de comprender la grandeza del trabajo matemático de Planck y Einstein. Tal gentuza frivoliza el término cuántico asociándolo con mamonadas de espiritualidad, equilibrio de energías cósmicas, meditación, ayurveda y la madre que los parió.

Láseres para todos, hasta para los garrulos

entrada de fibra óptica domiciliaria

Esta es la entrada de fibra óptica a mi casa. La etiqueta amarilla es la advertencia del láser que contiene. Este láser nos permite descargar contenido a toda leche, ver vídeos guarrindongos, o colgar paridas en blogs, entre otras cosas.

Aún hoy parece que hablar de láser es referirse a tecnología fantástica de última generación. Quizás persiste en nuestro inconsciente colectivo las futuristas pistolas láser desintegradoras de la ciencia ficción o los sables láser jedi que todos los frikis hemos querido tener. Pero desde los años 80 los láseres están dentro de cualquier casa. Los lectores de CD y de DVD son los ejemplos más claros de la extensión del láser en la vida cotidiana, igual que los lectores de códigos de barras de los supermercados. El láser y la fibra óptica son primordiales en las telecomunicaciones: internet, teléfono o TV por cable a gran velocidad son cosas normales gracias al láser.

O esa impresora láser con la que se imprime el archivo descargado por la fibra óptica láser de internet o a partir de un CD leído por láser (la decadencia del CD grabable demuestra que hasta artilugios láser pueden quedar obsoletos, ¿quién se acuerda del discman?). O bien objetos tan pedestres como un nivel láser para colgar un cuadro o una estantería bien derechos, un termómetro guay para chefs modernos o el puntero láser que usa un conferenciante.

tarado mental iletrado

Sistema óptico formado por un haz coherente de fotones de 532 nm que conecta a dos iletrados, uno emisor y otro receptor.

La banalización del láser hace que cualquier garrulo pueda llevar uno en el bolsillo. ¿Y dónde se puede encontrar la máxima concentración de garrulos por metro cuadrado? ¡En un estadio de fútbol! Tanto en el césped como en las gradas. Recordaréis que hace un par de años estuvo de moda incordiar a ciertos futbolistas deslumbrándolos con punteros láser, cosa por demás peligrosa para la visión de los afectados. La UEFA ha puesto sanciones para los catetos que perpetran semejantes actos y ahora tal comportamiento es menos frecuente.

Ese cateto probablemente ignora que empuña un láser verde (más potente que el rojo) de tipo diodo de doble frecuencia con núcleo de Nd:YVO4  (neodimio-vanadato de itrio, similar al YAG usado en oftalmo) y cristal  KTP (titanil-fosfato de potasio), que emite a 532 nm, longitud perfecta para hacer pupa en la retina.

Un siglo desde que los genios crearan la teoría, medio siglo desde que el láser es una realidad, un montón de premios Nobel involucrados (Lenard, Thompson, Planck, Einstein, Bohr, Millikan, G. Hertz, Compton, Kusch, Townes, Basov, Projorov, Schawlow y otros): cuánta ciencia concentrada en el láser con el que un garrulo apunta a otro supergarrulo sobrevalorado, cuya consideración social y económica excede en varios órdenes de magnitud a la que han tenido y tendrán los científicos a los que nunca se les agradecerá suficientemente su servicio.

Adenda

El 28 de enero de 2015 falleció Charles Townes, a los 99 años y medio de edad (ver reseña).

Referencias

  1. Bertolotti M. “The History of the Laser”. IOP Publishing Ltd., 2005.
  2. Palanker DV, Blumenkranz MS, Marmor MF. Fifty years of ophthalmic laser therapy. Arch Ophthalmol 2011;129:1613
  3. Graudenz K, Raulin C. Von Einsteins Quantentheorie zur modernen Lasertherapie. Hautarzt 2003;54:575
  4. L’Esperance FA Jr. An opthalmic argon laser photocoagulation system: design, construction, and laboratory investigations. Trans Am Ophthalmol Soc 1968;66:827
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5 comentarios en “Línea de tiempo: Huygens, Newton, Planck, Einstein, una revolución quirúrgica y un garrulo de estadio

  1. Puffff. Simplemente sin palabras. Excelente articulo. Especialmente me quedo con estas frases muy ciertas… “Esto sí que es Medicina Cuántica de verdad, y no esa paparrucha esotérica que venden ciertos degenerados quienes apenas pueden usar matemáticas elementales y son absolutamente incapaces de comprender la grandeza del trabajo matemático de Planck y Einstein”
    y esta….”cuánta ciencia concentrada en el láser con el que un garrulo apunta a otro supergarrulo sobrevalorado, cuya consideración social y económica excede en varios órdenes de magnitud a la que han tenido y tendrán los científicos a los que nunca se les agradecerá suficientemente su servicio.”

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