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El ojo (parte II). La naturaleza de la luz. 26 noviembre 2009

Posted by José Ignacio Merino in Óptica, cuerpo humano.
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Este post es el segundo de una serie de ellos. Te recomiendo que leas la primera parte de este post.

Bien, para seguir conociendo cómo funciona nuestro ojo, tenemos que tener claros algunos conceptos de la luz. Como creo que sabrás, la luz está compuesta en realidad por unas partículas subatómicas llamadas “fotones” los cuales no tienen carga, no tienen masa y la cuya antipartícula es el propio fotón. Además se encuentran viajando a la velocidad de la luz (esto es obvio, porque en realidad los fotones son luz) y cada fotón transporta una determinada energía.

¿Qué diferencia hay entre un fotón que lleve una energía más grande que otro? Pues en principio costaría diferenciarlos. Ambos fotones se movería a la misma velocidad (que es la velocidad de la luz), así que no tendríamos un fotón más rápido que otro. Como no tienen masa, no tiene sentido hablar de que un fotón sería más pesado que otro por transportar más energía. Entonces ¿qué los diferencia?

Bien, si eres aficionado a la física (aunque sea a nivel divulgativo), sabrás que la luz se puede comportar como una partícula o como una onda. Es decir, podemos ver a la luz como un grupo de fotones que transportan cada uno una determinada cantidad de energía o bien podemos verla como una onda que transporta energía por el vacío. Creo que habrás visto más de una vez las ondas que se forman en un estanque cuando tiras una piedra, verás que la superficie del agua se pone a oscilar.

Ondas en el agua
Ondas en el agua

Como ves en la imagen, una onda tiene picos y valles. Si miro la onda desde arriba, la distancia entre pico y pico es lo que se denomina “longitud de onda”. Ahora imagina que pongo un corcho a flotar en el agua. Si me fijo en qué pasará con el corcho cuando pase la onda, veré que este sube y baja. Cuando llega un pico, el corcho sube a su nivel máximo, luego comienza a bajar y vuelve de nuevo a subir. El tiempo que tarda en hacer eso (subir, bajar y luego volver a subir) es lo que se llama “frecuencia” de la onda.

Pues bien, los fotones, además de ser partículas, también puedo considerarlos como ondas y también tiene las propiedades de “frecuencia” y “longitud de onda” que observamos en las ondas del estanque. Si no entiendes cómo un fotón puede ser a la vez una partícula y también una onda, no te preocupes: nadie lo entiende, simplemente es así. Verás desde principio del siglo pasado se sabe que, no sólo los fotones, sino todas las partículas pueden también comportarse como una onda. Es lo que se conoce como la “dualidad onda-corpúsculo”. Si yo diseño un experimento para ver a un fotón como una partícula, este se comportará como una partícula. Si yo diseño un experimento para que se comporte como una onda, se comportará como una onda. Pero no puedo diseñar un experimento para que se comporte como ambos a la vez. Es como si el fotón fuese una carta de una bajara. Por delante, la carta tiene un aspecto (el de partícula), por detrás tiene otro completamente distinto (el de onda). En realidad la carta es algo más complejo que una sola de sus caras, pero yo sólo puedo estar viendo una de esas caras al mismo tiempo. Es decir, la realidad es mucho más compleja de lo que podemos llegar a imaginar. Pero esa es otra historia.

Por ahora lo único importante es que un fotón puede tener una determinada energía, una determinada longitud de onda, o una determinada frecuencia. Y curiosamente, estos 3 valores están fuertemente relacionados, de tal forma que a una energía corresponde a una longitud de onda y eso corresponde con una frecuencia.

Como ya he dicho, los fotones son las partículas/ondas que forman la luz. Bueno, en realidad es algo más que la luz pues forman lo que se llama todo el espectro electromagnético. Supongo que habrás escuchado alguna vez que los perros son capaces de escuchar sonidos tan altos en frecuencia que nosotros, los seres humanos, no podríamos hacerlo. Pues bien, con la luz pasa algo parecido. En realidad las ondas por las que se transmite la señal de radio y televisión, la señal que emiten los teléfonos móviles, los microondas que emiten los hornos del mismo nombre, los rayos ultravioleta, los rayos X, … todo eso es “luz”. Bueno estrictamente hablando no se les puede llamar luz. En realidad se les llama “radiación electromagnética” y la luz es simplemente la parte que podemos ver de esa radiación electromagnética que está entre los 380 nanómetros hasta los 750 nanómetros.

Por si no lo sabes, un nanómetro es la mil millonésima parte de un metro. Es decir, divido un metro en mil millones de partes iguales y eso es un nanómetro. Vale, sé que eso de mil millonésima parte te habrá podido impresionar, pero imagina lo siguiente para que te hagas una idea de lo que en realidad significa. Si un metro lo divido en mil partes iguales, cada una de esas partes es un milímetro, ¿verdad? Imagina que ahora soy capaz de dividir ese milímetro en otras mil partes iguales. A cada una de esas partes se llama “micrómetro” (o micra). Pues bien, si dividiese cada micra en otras mil partes iguales, ya tendría el nanómetro. Impresionado ¿a que sí?

Pues bien, la luz visible es en realidad una oscilación de aproximadamente 500 nanómetros de longitud de onda (o lo que es lo mismo, 0,5 micras). Quizás te preguntes, ¿y qué oscila? En el ejemplo que puse de tirar una piedra al agua, las ondas son oscilaciones de la superficie. ¿Qué es lo que oscila en el caso de las radiaciones electromagnéticas? Pues la oscilación es en realidad de un campo eléctrico y magnético… Pero bueno, esa es otra historia que merece ser contada en otro post con más detalle.

Aquí tienes una representación del espectro electromagnético comparando la longitud de onda de la radiación con cosas que nos resultan familiares:

Espectro electromagnético (Fuente: Wikipedia)

En realidad nosotros únicamente vemos una pequeña parte del espectro electromagnético que llamamos “espectro visible”. Quizás te estés preguntando el por qué tan sólo vemos esa pequeña parte. Estaría genial ver que cuando alguien usa un teléfono móvil, la antena la viésemos iluminarse o que cuando ponemos un microondas a funcionar tuviésemos que ponernos unas gafas de sol porque el brillo que sale de dentro es mucho más potente que el de un flash. Pero el que sólo veamos esa pequeña parte del espectro tiene su razón evolutiva. Verás, el Sol es una estrella y está emitiendo en todas las frecuencia posibles. Es decir, emite ondas de radio, microondas, infrarojos, ultravioletas, rayos X y rayos Gamma. La atmósfera nos protege de la radiación microondas (eso lo hace una parte llamada ionosfera), de los rayos ultravioletas (eso es misión de la capa de ozono), de los rayos X y rayos gamma. Es decir, que nuestra atmósfera sólo deja pasar ondas de radio, infrarojos (que es la zona del espectro justo debajo del rojo en frecuencia), luz visible y una pequeña parte de los ultravioletas (que es justo la parte del espectro que está por encima del azul en la frecuencia). Pero además de eso, en la zona del espectro en la que la emisión del sol es máxima es en donde se encuentra el espectro visible.

Aquí tienes una gráfica de cómo de intensa es la radiación emite el Sol. Mientras más alta es la curva más grande es la intensidad de esa radiación. La curva está coloreada de tal forma que cada color representa cuánta intensidad nos llega de la longitud de onda que representa ese color. Fíjate que es máxima justo en el verde.

Espectro Solar

Espectro Solar

Es decir, durante la evolución, cuando se empezaron a formar en los primeros seres vivos complejos los órganos encargados de detectar la radiación electromagnética, estos se especializaron en detectar únicamente la parte en la que el Sol irradia con mayor intensidad. Si el Sol radiase con mayor intensidad en la zona de los microondas (y la atmósfera los dejase pasar), no te quepa la menor duda que nuestros ojos sólo serían capaces de ver la radiación microondas y entonces sí que veríamos las antenas de los móviles brillar.

Un momento ¿he dicho que el sol emite su máximo de radiación en el color verde? ¿Pero no es de color amarillo? Efectivamente. De hecho si al verde le quitamos el azul queda… ¡amarillo! Es decir, la atmósfera es la que hace de filtro y nos hace ver el Sol de color amarillo, pero la  realidad es que el sol es verde. Entonces un astronauta desde el espacio tendría que ver el sol de color verde, ¿verdad? No. Un astronauta desde el espacio ve al sol de color blanco, al igual que tú. Sólo lo ves de color amarillo cuando está cercano al horizonte. Entonces empieza a cambiar de color… primero amarillo, luego naranja y luego rojo. Este cambio de color es por la atmósfera, pero el resto del tiempo lo ves de color blanco. Si un astronauta atenuase todos los colores por igual del Sol, entonces sí que lo vería con un tono verde.

Por cierto, no mires directamente al Sol para comprobar esto. ¿Recuerdas lo que te dije en la primera parte de este post sobre qué pasaba si enfocabas la luz del sol con una lente a un papel? Pues tu cristalino hará de lente y tu retina hará de papel. Así que mejor ni lo intentes.

Y hasta aquí esta parte de este post. Aunque no haya hablado mucho del ojo, es importante aclarar estos concepto para la tercera parte de este post donde ya veremos cómo funciona nuestro ojo.

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Comentarios»

1. Pablo B. - 20 noviembre 2010

Hola José Ignacio.

Estoy maravillado con vuestros post. Quisiera felicitarte por el ánimo de compartir lo simple de lo complejo, pues se entiende y se entretiene, casi paradójicamente.

Pero al parecer ya no fabricas más, al menos aquí.
Y yo vengo a leerte en noviembre del 2010, espero te animes otra vez, pues hay cariño en tu trabajo.

Saludos.

José Ignacio - 21 noviembre 2010

Muchas gracias por tu amable comentario. Tienes razón: tengo el blog muy olvidado. El trabajo, los niños y esa sensación de estar mandando mensajes en una botella sin saber si son leídos o no hacen que priorices otras cosas. Comentarios como el tuyo me animan a seguir.

2. El ojo (y parte III) « No esperes hoy la tormenta de ayer… - 10 diciembre 2010

[…] El ojo (y parte III) 10 Diciembre 2010 Posted by José Ignacio in Óptica, cuerpo humano. trackback ¡Y por fin entramos en materia! Este es el tercer post dedicado al ojo y en él vamos a ver los mecanismos por los que vemos. Te recomiendo que leas antes el primero y el segundo. […]


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