07/Oct/05

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Los misterios de la luz, tema del Nobel

(La Nación, AP) La Academia de Ciencias sueca anunció que concedió el Premio Nobel de Física 2005 a los estadounidenses John Hall y Roy Glauber y al alemán Theodor Haensch por su aplicación de la física cuántica moderna al estudio de la óptica. Sus observaciones sirvieron para mejorar el láser, la tecnología de posicionamiento global (GPS, según sus siglas en inglés) y otros instrumentos.

Glauber, de 80 años, recibirá la mitad del premio por demostrar en los años 60 cómo la naturaleza particular de la luz afecta su comportamiento en determinadas circunstancias. Aunque estas condiciones se observan rara vez en la naturaleza, son importantes en instrumentos ópticos. Hall y Haensch, que compartirán la otra mitad, fueron galardonados "por sus aportes al desarrollo de la espectroscopía de precisión basada en el láser".

La luz es, sin duda, una de las maravillas naturales que más nos asombran. Como las ondas de radio, es una forma de radiación electromagnética, pero tiene una propiedad desconcertante: puede comportarse a veces como ondas y a veces como partículas discretas llamadas fotones.

Sin embargo, hasta que en 1963 Roy Glauber publicó sus trabajos, la ciencia sólo podía describir la luz de acuerdo con la teoría del electromagnetismo de Maxwell como un fenómeno ondulatorio. Su aplicación hizo posibles los teléfonos móviles, la televisión y la radio.

En esos tiempos, aunque los físicos habían desarrollado teorías para describir las colisiones entre un número reducido de fotones, no contaban con una descripción cuántica del comportamiento colectivo de grandes números de estas partículas subatómicas. Fue precisamente Glauber, que había participado del Proyecto Manhattan, que desarrolló la bomba atómica durante la Segunda Guerra Mundial, quien logró desarrollar una descripción matemática efectiva de estos fenómenos.

"El premio a Glauber era una deuda histórica —afirma el doctor Oscar Martínez, que investiga láseres de pulsos cortos y sus aplicaciones en nanoóptica, y en nuevas microscopías para la biología en la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA—. En el siglo XIX, la teoría del electromagnetismo explicaba la luz como un fenómeno ondulatorio. Más tarde, aunque la mecánica cuántica describió muchas propiedades de la materia que no podía explicar la física clásica, la matemática era cómoda para entender los fenómenos de muy alta energía, como los rayos X o los gamma, pero no para entender la luz. Glauber encontró una descripción matemática de la luz que la concilia con la óptica clásica y permite explicarla «fácilmente» desde la mecánica cuántica. Mostró que hay ciertos estados de la luz en la mecánica cuántica que son muy parecidos en el electromagnetismo: los estados coherentes que permiten explicar la interferencia. Esto, sobre todo, abrió la posibilidad de avanzar con el láser."

Tres décadas más tarde, Hall y Haensch tomaron la posta. Utilizaron estos conocimientos para desarrollar una técnica que utiliza la luz láser de pulsos cortos que permiten alcanzar niveles de exactitud difícilmente imaginables por el ser humano común y corriente: pueden determinar la frecuencia de la luz con una precisión de 15 dígitos.

"Haensch y Hall están trabajando en láseres que generan «trenes» de pulsos cortos, de muy alta frecuencia —explica Martínez—, cada diez nanosegundos; es decir, cada diez mil millonésimas de segundo. Pero son capaces de alcanzar una calidad tal que pueden funcionar con más precisión que un reloj atómico y permiten transmitir información en forma sincrónica. Con el láser de pulsos cortos también producen lo que se conoce como «peines de frecuencias ópticas», porque cuando uno lo analiza en el espectro observa una secuencia de picos equidistantes que conforman algo así como una regleta. Este láser genera colores que cubren todo el espectro, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, por eso se usan como un patrón de calidad: es como tener una emisora de radio que está emitiendo en todas las frecuencias, entonces uno puede ir con su radio y calibrar la frecuencia en la que emite. Los láseres sirven para calibrar frecuencias en el espectro visible."

El premio Nobel premia ahora la trascendencia de los descubrimientos de Glauber, Hall y Haensch. Pero los científicos no se conforman: el último dijo a AP que los frutos del trabajo realizado permitirán mejorar la comunicación en toda la Tierra... y más allá. Y hasta aventuró que el control preciso de la luz podría utilizarse para algo igualmente o aun más importante: ¡desarrollar el cine tridimensional!

"Bits" y ondas luminosas

A diferencia de la luz natural, generada por ondas que comienzan en diferentes momentos y se desplazan en distintas direcciones, el láser produce una luz coherente: todas las ondas luminosas se acoplan como un ejército que desfila ordenadamente según un patrón preciso.

Las técnicas desarrolladas por Hall y Haensch permitieron controlar casi todos los aspectos de la luz y tienen numerosos campos de aplicación, desde la caracterización de moléculas hasta la medición de tiempos y distancias, o la definición de claves criptográficas. "Actualmente —dice Diego Grosz, del Instituto Tecnológico de Buenos Aires—, se utilizan relojes atómicos para sincronizar los bits que circulan por los sistemas de comunicación por fibra óptica. Dentro de los protocolos para sistemas de alta capacidad, el que se usa en la Argentina [SDH] «reúne» información que circula a baja velocidad para construir un único canal de muy alta velocidad. Los de última generación transmiten hasta 40 gigabits [40 mil millones de bits] por segundo. En el mundo, la Internet está funcionando gracias a estos sistemas."