jump to navigation

Parando la luz 4 febrero 2011

Posted by José Ignacio Merino in Óptica, Relatividad.
add a comment

Como el post anterior era sobre la velocidad de la luz, hoy voy a hablar de otro tema que de vez en cuando sale como noticia en los periódicos: vamos a ver cómo se puede parar la luz. Bueno, en realidad vamos a ver cómo la luz puede alcanzar velocidades superiores a la de la luz y cómo hacer que sea muy lenta, incluso pararla o hacer que vaya marcha atrás.

Pero antes que nada dejar clara una cosa importante y es que un fotón no puede pararse o acelerarse y siempre se moverá a la misma velocidad: 300.000 km/s. Entonces ¿cómo es que ante dije que puede detenerse o superar esa velocidad? En realidad no puede, pero sí que yo puedo detectar que lo hace.

Te pondré un ejemplo muy sencillo para empezar a aclarar todo este embrollo: Imagina que tengo un puntero láser con el que apunto a la Luna. Jugando con él me pongo a “hacer figuras” en la Luna con ese puntero. Puedo moverlo tan rápido como quiera. De hecho si midiese a qué velocidad se desplaza el punto sobre la Luna seguramente mediría que supera la velocidad de la luz. Es más, imagina un selenita que tenga 2 detectores de luz. Yo muevo desde la Tierra el puntero de un detector a otro. ¡Ese habitante de la Luna habría detectado una señal de luz que ha viajado de un detector a otro a una velocidad superior a la de la luz!

Supongo que sabrás que nada puede superar la velocidad de la luz. Pero con lo que te estoy diciendo te surge la duda ¿se puede o no? Verás no. Si yo miro lo que pasa, ningún fotón que parte de mi puntero láser es capaz de superar la velocidad de la luz. Pero la señal que envío sí que lo hace. Ahora bien, esa señal es incapaz de transmitir información. Así pues la teoría de la relatividad es cierta porque no puedo transmitir información capaz de superar la velocidad de la luz.

¿Te has perdido con eso de la información? Te lo explico. Verás, imagina que en vez de un puntero láser tengo una manguera con agua con la que estoy haciendo el ganso dando vueltas y vueltas. El chorro de agua que lanzo es equivalente al chorro de luz que emito con mi puntero. Imagina ahora que de repente aparece mi mujer por la puerta del jardín, pero yo no la veo porque estoy de espaldas pero yo sigo dando la vuelta… Hasta que estoy frente a ella y la veo. En ese momento corto el agua para no mojarla, pero ya es tarde, por mucho que haya cortado el agua, el chorro seguirá su camino hasta mojarla. No puedo hacer nada por evitarlo por mucho que haya cortado el agua.

Igual pasa con el puntero. Por mucho que yo corte la señal para que no llegue al segundo puntero, la luz habrá salido e irremediablemente llegará a él. No puedo hacer nada por impedirlo. Si yo quisiera mandar información, tengo que controlar qué estoy haciendo. Tendría que ir cortando y encendiendo de una forma coherente y a receptor al recibir esos cortes y encendidos interpretaría esa información. Pero en este caso por mucho que yo corte la señal, al receptor le seguirá llegando luz, con lo cual no puedo transmitir información de esta forma.

Bien, una vez que has comprendido el truco para emitir señales con “velocidad superior a la de la luz”, veamos en qué consiste eso de “parar la luz”.

Como creo que ya sabrás, la luz cuando pasa por un medio, por ejemplo agua o aire, disminuye su velocidad. ¡Espera! ¿Pero no habíamos quedado en que la luz no varía su velocidad y siempre se mueve a 300.000 km/s? Efectivamente. Cuando la luz pasa por el agua o el aire, hay que tener en cuenta que hay átomos y moléculas que estorban a los fotones en su camino. Cuando un fotón topa contra un átomo o molécula, éste lo absorbe y unos cuantos nanosegundos después lo vuelve a emitir (normalmente en la misma dirección en la que le llegó). Es decir, los átomos/moléculas de un material están constantemente absorbiendo/reemitiendo los fotones de tal forma que ralentizan el paso de éstos por el medio, pero los fotones siempre se mueven a la misma velocidad: 300.000 km/s.

Cuando oyes: “la velocidad de la luz en el agua es de 229.900 km/s” ya sabes que no es que los fotones se vuelvan más perezosos en el agua, sino que están siendo absorbidos/reemitidos por las moléculas de agua.

Si yo lanzase un láser contra un vaso de agua y a la salida pusiese un detector ultra-sensible, detectaría una señal ultra-débil que me llegaría a la velocidad de la luz. Esa señal serían los fotones de ese láser que han pasado limpiamente entre las moléculas de agua sin chocar con ninguna. Justo después recibiría a el resto de fotones, los cuales parecería que han estado viajando más lentos (a 229.900 km/s).

Bien, ya tenemos un hecho: la luz en un medio se mueve más lentamente. Ahora preguntémonos otra cosa: ¿cuánto tiempo retienen los átomos a un fotón antes de reemitirlo y que siga su camino? La respuesta es: depende de la frecuencia. Es decir, unos colores avanzarán más rápidamente que otros por un medio.

Ahora mira la siguiente simulación de esta página http://gregegan.customer.netspace.net.au/APPLETS/20/20.html. Para verla necesitarás tener Java instalado.

En esta simulación tenemos un haz de luz que se mueve por un medio. En la parte de arriba tenemos los colores que representan las frecuencias en las que se descompone ese haz. Como podrás ver cada color se mueve con una velocidad distinta. Ya te dije que la velocidad de la luz aparente en el medio depende de la frecuencia.

Las líneas verticales blancas que se mueven representan la velocidad de la luz en el vacío y la señal blanca de la parte inferior representa la suma de todas las señales de la parte superior, es decir, la señal que realmente estamos detectando.

Si te paras unos segundos, verás que al poco tiempo una “superseñal” blanca pasa a toda velocidad adelantando las líneas verticales: acabas de ver cómo una señal supera la velocidad de la luz.

¿Es esto real? Por supuesto. Y perfectamente medible. De hecho muchos científicos miden este tipo de señales supralumínicas que superan la velocidad de la luz. Aquí tenéis un ejemplo donde científicos dicen que han logrado superar 310 veces la velocidad de la luz en un experimento. Como podréis haber deducido en realidad lo que han detectado es un pulso del estilo del que habéis visto en la simulación.

¿Este pulso transmite información? Pues no. De hecho en la simulación que has visto, cuando esté pasando esa “superseñal” haz click con la tecla de mayúsculas pulsada en mitad de la ventana de la simulación. Verás que lo que harás será cortar todas las señales. Sin embargo la “superseñal” sigue su camino sin despeinarse. Es igual que en el ejemplo de la Luna y el puntero láser en el que no soy capaz de transmitir información porque aunque corte la señal no soy capaz de detener la “superseñal” debido a se compone de pequeñas señales que están siguiendo su camino.

Y de hecho puedo seguir exprimiendo este fenómeno. De hecho eligiendo astutamente el medio, podría hacer todo lo contrario: reducir la velocidad del pulso de luz hasta incluso pararla… o hacerla volver hacia atrás.

Espero que hayas logrado entender este fenómeno y comprendas que detrás de las noticias científicas en medios de información general siempre hay “algo” de sensacionalismo (si has pulsado los enlaces, habrás podido incluso soltar una pequeña carcajada al leer los titulares, pero con el que más me he reído es con este)

La velocidad de la luz 27 enero 2011

Posted by José Ignacio Merino in Óptica, Relatividad.
add a comment

Hoy hablaré de un hecho que a todo el mundo le resulta sorprendente y chocante cuando lo escucha: la velocidad de la luz.

Quizás estén pensando: “Pues vaya chorrada, todo el mundo sabe que la velocidad de la luz son 300.000 km/s”. Y efectivamente tendrás razón. La luz recorre 300.000 kilómetros en tan sólo 1 segundo. Este hecho es realmente sorprendente, pero no es lo verdaderamente sorprendente de la velocidad de la luz. Tendrás que seguir leyendo.

Antes de nada un poco de historia. Desde hace muchísimos años se sabe que la propagación del sonido tiene su tiempo. El rayo aparece y algunos segundos después se escucha el trueno, cuando un cañón dispara en la lejanía puedes ver el fogonazo del mismo pero el sonido no llega hasta algunos segundos después.

Así pues se conocía perfectamente a qué velocidad se propagaba el sonido, pero ¿y la luz? ¿a qué velocidad se propagaba? ¿era instantánea o no? Esta fue una pregunta importante durante mucho tiempo y sólo se pudo averiguar mirando hacia Júpiter.

Como creo que sabrás, Júpiter tiene una luna llamada Io. Desde la Tierra, con un telescopio, podemos observar claramente cómo esa luna gira alrededor de Júpiter. Y también podemos observar cómo en su periodo orbital aparece como un punto negro delante de Júpiter para luego desaparecer por el lado contrario.

Transición de Io por Júpiter

Transición de Io por Júpiter - (Credito: Cassini Imaging Team, Cassini Project, NASA)

Pero algo fallaba. Se sabía perfectamente a qué velocidad se movía Io y también cuál era el radio de Júpiter, así que  cuando aparecía el punto de la luna en el planeta se conocía con exactitud cuánto tiempo tardaría en desaparecer de nuevo por el otro lado. Sin embargo la observación daba resultados distintos. Dependiendo en qué época del año observásemos podíamos ver que había un retraso o un adelanto que podía llegar hasta los 16 minutos con respecto a lo que en realidad debería tardar.

Fue el danés Ole Roemer en 1676 quien se dio cuenta que este fenómeno era debido a que la luz tendría una velocidad finita. Cuando Io aparecía en la superficie de Júpiter la Tierra seguía su movimiento que podía ser alejándose o acercándose a Júpiter (dependiendo en qué parte de la órbita estuviésemos). Eso hacía que cuando esa luna desaparecía, la Tierra estaba más lejos o más cerca y por tanto nunca tardaba lo mismo en hacerlo pues había que tener en cuenta que la luz que nos llegaba de Júpiter tardaba más o menos en llegar desde que comenzaba el fenómeno.

Así pues haciendo unos cálculos no muy complicados Roemer determinó por primera vez la velocidad de la luz: 300.000 kilómetros por segundo.

Pero como te dije esto no es lo realmente sorprendente, sino que esa velocidad es constante siempre. “¡Pues vaya noticia!” podrás pensar. Pero piensa por un momento lo que eso implica.

Imagina que estás sentado en una estación de trenes y ves pasar un tren digamos que a 50 km/h. Por la ventanilla tu ves a un niño andar por el pasillo en la dirección en la que avanza el tren pero ¿a qué velocidad lo ves moverse? Para la madre del niño, que estará sentada en un asiento del tren éste se moverá a 2 km/h. Pero para ti, que estás fuera, verás al niño moverse con una velocidad de 52 km/h pues a la velocidad del niño tenemos que sumarle la velocidad con la que va el tren. Este se conoce como principio de relatividad de Galileo.

Si yo voy montado en ese mismo tren cuando está circulando a 100 km/h y disparo una bala hacia delante, ésta saldrá con la velocidad suya propia (digamos unos 200 km/h) más la velocidad a la que va el tren, es decir se moverá a 300 km/h para un observador que esté sentado fuera viendo la escena. Pero curiosamente si esa persona, en vez de disparar una bala, encendiese una linterna la luz saldría de esta siempre con la misma velocidad: 300.000 km/s.

Esto fue demostrado sin querer por los señores Michelson y Morley en 1887. Y digo sin querer porque en realidad estaban intentando medir otra cosa bien distinta. Verás, en esa época se pensaba que la luz se tenía que transmitir por algún medio. Si la olas eran ondas que se transmitían por el agua, el sonido eran ondas que se transmitían por el aire y se sabía que la luz también era una onda, ¿cuál era el medio por el que éstas se transmitían? Como no se conocía se le denominó “éter”. Ellos pensaban que el éter era una especie de “viento” que llenaba todo el espacio. Como podríamos ver la luz del Sol y de las estrellas, el Universo debería estar lleno de ese éter. Pero a su vez debería de ser muy tenue pues la Tierra y los planetas se movían por ese éter como si tal cosa. Así pues pensó en ver a qué velocidad se mueve la Tierra con respecto a ese éter.

Para ello dividió un rayo de luz en 2 y con espejos se haría que una parte de ese rayo se moviese en la dirección del movimiento de la Tierra y la otra parte del rayo en la dirección perpendicular. El rayo que saliese en la dirección del movimiento de la Tierra sumaría su velocidad a la velocidad de la Tierra y el rayo que se moviese en dirección perpendicular se movería tan sólo a la velocidad de la luz. Así que cuando los 2 rayos volviesen a encontrarse, uno debería ir desfasado con respecto al otro pues se movería más rápido. Con este experimento querían medir cuán de rápido se movería el éter, pero en realidad descubrieron otra cosa mucho más importante: Ambos rayos no se desfasaban, por tanto ambos iban igual de rápido. Repitieron este experimento en distintas épocas del año y nada: no había variación en la velocidad de ambos rayos.

Exactamente igual que lo que te he explicado antes del hombre que montado en un tren encendía una linterna: da igual a la velocidad a la que se mueve el tren, la luz sale siempre igual de rápido.

Llevemos ese ejemplo al extremo y verás lo sorprendente que es. Imagina que eres un policía del sigo XXX que persigue a una banda de ladrones. Ambos os movéis en naves espaciales capaces de ir a velocidades muy cercanas a la de la luz. Los ladrones huyen a una velocidad de un 99.99999% la de la luz (casi están rozándola) y tu los persigues a una velocidad de un 99.99% la de la luz (algo más lento, pero no está nada mal).

Como los bandidos van más rápido y escaparán, decides destruir el motor de su nave lanzando un rayo láser. Así pues disparas y… ¿a qué velocidad ves alejarse ese rayo? Pues sorprendentemente a 300.000 km/s. ¿Y los bandidos a qué velocidad lo verán acercarse? También a 300.000 km/s. Fíjate que ambos estáis rozando la velocidad de la luz y sin embargo veis los rayos alejarse y acercarse igual de rápido, como si estuvieseis quietos. ¿Y un observador externo que pasase por allí? ¿A qué velocidad vería moverse el láser? Pues también a 300.000 km/s independientemente si se está moviendo o si está quieto. Todos coincidís en lo mismo: la luz se mueve con la misma velocidad

Sorprendente ¿verdad? Si te estás preguntando cómo es posible eso te diré que nadie lo sabe: simplemente ocurre así. Y si te estás imaginando que te estoy explicando lo último en física, siento decepcionarte: Si te fijas el experimento de Michelson y Morley es de 1887. Es decir, desde hace más de 120 años se sabe esto.

Pero volvamos a la persecución. Si para ti, los bandidos y ese señor que pasaba por allí la velocidad de la luz que miden es la misma, algo tendrá que ser distinto para los 3 observadores ¿verdad?. La respuesta a esta pregunta es: el tiempo. Para que la luz sea igual de rápida para los 3 independientemente si os movéis o no y a qué velocidad lo hacéis, tendrá que cambiar el concepto de tiempo en cada caso. Cada uno verá transcurrir el tiempo de distinta forma y cada uno verá el fenómeno de forma distinta. Justamente esta es la base de la teoría de la Relatividad de Einstein, la cual sustituye al principio de Relatividad de Galileo. Pero bueno, la Relatividad es muy extensa como para explicarla aquí. Seguramente la iré explicando más adelante y muy poquito a poco. Por ahora basta que te quedes con esa idea: para poder encajar el hecho experimental que la luz se mueve con la misma velocidad para todo observador, independientemente de la velocidad a la que este se mueva, debemos de variar el concepto de tiempo para que esto sea así. Es decir, tu moviéndote a 100 km/h tienes un transcurrir de tiempo distinto que otra persona moviéndose al 50% de la velocidad de la luz y esta tendrá otro transcurrir de tiempo distinto a una persona que se mueva a un 99.99% de la velocidad de la luz. Si admitimos eso, podemos hacer que la velocidad de la luz para todos los observadores es la misma: 300.000 km/s.

Por cierto, la Relatividad de Einstein se teorizó en 1905, con lo cual este conocimiento que quizás estés descubriendo tú ahora lleva más de 100 años descubierto.

El ojo (y parte III) 10 diciembre 2010

Posted by José Ignacio Merino in Óptica, cuerpo humano.
add a comment

¡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.

Como dije en el primer post del ojo, en el fondo del ojo tenemos la retina, que no es más que un conjunto de detectores sobre los cuales incide la luz y que están conectados con el cerebro por el nervio óptico.

En la retina existen 2 tipos de detectores. Los primeros se llaman conos y son los encargados de detectar el color, existiendo 3 tipos de conos: los encargados de detectar el color rojo (conos tipo L), los encargados del azul (conos tipo S) y los del verde (conos tipo M). Es decir, tenemos 3 tipos de sensores especializados cada uno en exitarse ante la luz con una determinada frecuencia. El otro tipo de detectores son los bastones y sólo están especializados en un único tipo de luz.

Sensibilidad de cada cono a la longitud de onda (Fuente: Wikipedia)

En esta gráfica, podemos ver cómo detectan la luz de una determinada longitud de onda cada uno de los conos. Realmente no es que cada cono detecte una longitud de onda determinada, sino que lo hacen en un rango de estas y tienen un máximo de sensibilidad en los 437 nanómetro (conos de tipo S), 533 nanómetros (conos de tipo M) y 564 nanómetros (conos de tipo L).

Si a mi retina llega luz de color azul, excitará y mucho los conos de tipo S, y muy poco los conos de tipo M y L. Y al incidir en la retina luz de color rojo, excitará los conos de tipo M y L, pero estos últimos los excitará un poquito más que los primeros.

Antes comenté que los conos estaban especializados en el azul, el verde y el rojo. En el caso de los conos de tipo S, efectivamente tienen su máxima capacidad de excitación en el azul, los de tipo M, en el verde, pero los de tipo L no tiene la máxima respuesta en el rojo, sino en un color verde-amarillento. Sin embargo, como he explicado antes, cuando la luz roja incide en la retina, los conos de tipo L son excitados más fuertemente que los de tipo M. Por eso los conos de tipo L se dice que están especializados en detectar el rojo.

Ante esto cabría preguntarse ¿cuál es el color que mejor vemos? Quizás pienses que es el rojo porque es el que más te llama la atención, pero la respuesta correcta es un color verde-amarillento. Fíjate que hay 2 tipos de conos (L y M) que tienen una sensibilidad alta en ese color. Es decir, al ver un objeto verde-amarillento, son esos 2 tipos de conos los que mandan señales al cerebro muy fuertemente, por lo que ese color es percibido más intensamente.

Aunque el rojo es percibido por los conos L y M, la sensibilidad de este tipo de conos a ese color no es tan alta así que no mandan tanta señal al cerebro. Sin embargo luego es el cerebro el que decide que el color rojo le interesa más que cualquier otro color y de hecho es el que más te llama la atención. Esto posiblemente sea debido para que nuestro cerebro de animal sea capaz de detectar la sangre de una presa herida o en nosotros mismos. Ahora en la sociedad moderna esta fijación cerebral por el rojo es aprovechada para llamar la atención sobre unos labios femeninos o para que en una boda la novia deje de hablar a la amiga que lleve un vestido de ese color.

Bien, sabiendo esto ahora podemos responder a una sencilla pregunta. ¿En qué parte del arco iris está el color rosa? ¿y el lila? ¿y el color salmón? ¿y el color hueso?

Espectro Visible

Espectro Visible (con la longitud de onda expresada en nanómetros)

No hay más que echar un vistazo a la imagen anterior donde se muestra el espectro visible. Newton fue quien descubrió que la luz blanca se descomponía en los colores del arco iris y ese es justamente el espectro visible. ¿Echas en falta algún color?

En realidad los colores que he mencionado antes (hueso, salmón, lila, rosa, …) no se corresponden con ninguna longitud de onda en el espectro. Son la mezcla que hace nuestro cerebro de las señales de los 3 tipos de conos. Gracias a eso somos capaces de ver alrededor de  10 millones de colores, que son muchísimos más que los que podemos distinguir en el arco iris.

El rosa, por ejemplo, es una respuesta muy fuerte de los conos de tipo L (rojo) y algo más débil (pero no mucho más) de los de tipo S (azul) y M (verde). Es decir, me está llegando a la retina luz de color azul, verde y mucho de rojo y es esa sensación combinada en nuestro cerebro es a lo que llamamos “rosa”. Según sea la cantidad de luz roja veré el rosa más rojo o más claro. Pero no hace falta irse al rosa, el ejemplo más claro está en el color blanco, el cual es una gran cantidad de luz azul, de luz verde y de luz roja que llega a nuestra retina.

Como ves, gracias a este sistema podemos disfrutar de colores que sólo existen en nuestro cerebro. Blanco, lila, salmón, hueso, blanco roto, garbanzo, gris, gris marengo, melón, … todos esos colores únicamente existen en nuestra mente.

Supongo que ya sabrás (porque lo habrás leído por ahí o del colegio) que todo color se puede crear como una composición de los 3 colores básicos. En el colegio nos enseñaron que esos 3 colores básicos son el amarillo limón, el cian (que es un azul celeste) y el magenta (que es un rojo tirando algo a rosa). Sin embargo, si hemos leído algo sobre televisiones, veremos que se basan en el estándar RGB cuyos colores básicos son el Rojo (Red), Verde (Greeen) y Azul (Blue). De las siglas en inglés de esos colores surge el acrónimo RGB.

En realidad ambos son sistemas para generar colores, pero tan sólo que uno se usa para generar colores con pigmentos y el otro para generar colores con luces. Si yo uso el estándar RGB (que es el de las luces), el negro es la ausencia de colores y el blanco es la suma de todos ellos. Sin embargo si uso el estándar de pigmentos (amarillo limón, cian y magenta), la suma de todos ellos es el negro y la ausencia de ellos es el blanco. Justo al revés.

Bueno, en realidad si mezclo los 3 colores básicos de pigmentos no obtengo negro, sino un marrón oscuro. Creo que todos recordaremos esto de cuando lo hicimos en el colegio con temperas. Dado que es imposible conseguir un negro perfecto así, en ese caso se añade un pigmento específicamente negro para la ocasión. Así pues los colores básicos con pigmentos son el Cian (Cian), Magenta (Magenta), Amarillo Limón (Yellow) y Negro (blacK). De los nombres de esos colores en inglés surge el estándar CMYK, que es el usado en pinturas. Mientras que para la televisión o cualquier otro dispositivo que forma colores con luces tengo el estándar RGB. Ambos son equivalente, ambos son perfectamente válidos y existen fórmulas matemáticas para convertir un color de un estándar a otro.

En realidad con ambos sistemas nos están engañando usando la propiedad que un color puede ser creado por una combinación astuta de los otros excitando selectivamente cada tipo de cono en una forma justa. Gracias a eso puedo formar todo el espectro de colores que quiera excitando en una proporción exacta a cada tipo de cono de mi retina.

Como habrás podido ver, ninguno de los 2 estándares se corresponde con los colores que excitan al máximo a nuestros conos. En realidad son un convencionalismo pero que tiene toda una rama de estudio detrás de ella. Por ejemplo, la sensibilidad del ojo al color azul es 20 veces menor que a la del rojo o del verde, así que tendré que tener en cuenta esta y muchas más cosas para poder reproducir fielmente un color.

Como ves, es toda una ciencia la que se esconde detrás del color basada en provocar estímulos en nuestros conos que simulen en el cerebro las sensaciones de ese color.

También al leer esto ya también sabrás en qué consiste el Daltonismo: son personas que nacen con tan sólo 2 tipos de conos: detectores de azul y de rojo, o azul y verde o de verde y rojo. Bueno, en realidad no es que le falte ese tipo de cono, sino que no son capaces de producir el pigmento específico de ese tipo de cono. Y como podrás ver hay distintos tipo de daltonismo… todo depende del tipo de cono que les falte.

Test de Daltonismo

Test de daltonismo (algunos daltónicos no pueden ver el número insertado en la imagen). Fuente: Wikipedia

También se da el caso contrario al daltonismo y en vez de faltar conos le sobran. De hecho se ha comprobado que existe un 3% de la población femenina que tiene 4 tipos de conos y por tanto distinguen 4 colores (y no 3 como el resto de la gente). Esto es posible por un “defecto” genético en el cromosoma X que hace que el pigmento que forma el cono L (que detecta el rojo) se vea desplazado ligeramente en la longitud de onda máxima a la que se excita y esta caiga en el amarillo. Si eso se diese en un hombre símplemente vería el color rojo de una tonalidad algo distinta que el resto porque únicamente tiene un cromosoma X. Pero la mujer, al tener 2 cromosomas X, si en uno de ellos ese “defecto” está presente y no lo está en el otro, producirá los 2 tipos de pigmento a la vez y por tanto tendrá 2 tipos de conos L separados levemente entre sí en lo que a distinción de color se refiere.

¿Cómo ven este tipo de mujeres el mundo? Pues básicamente igual que el resto, puesto que la separación del pico máximo de excitación entre el cono L normal y el modificado no es muy grande. Pero sí que es lo suficiente para que donde la gente vería varias muestras de un único color, ellos podrían distinguir distintas tonalidades en cada una de las muestras. De hecho son capaces de distinguir 100 millones de colores cuando la gente normal tan sólo podemos distinguir 10 millones. ¿Quien sabe?, quizás puede que seas tu, amable lectora, la que tiene este “defecto”.

Curiosamente las mujeres no sólo tienen esa posibilidad de ver 4 colores, sino que además sufren en menor medida el daltonismo. Tan solo un 0.5% de la población mundial femenina es daltónica frente a un 7% de la masculina.

Por otro lado, si recuerdas, comenté que en la retina teníamos 2 tipos de detectores: los conos y los bastones. Ya hemos visto en qué consisten los conos: detectan el color gracias a que hay 3 tipos diferenciados. En cuanto a los bastones no hay varios tipos de bastones: sólo existe un único tipo que tiene su máximo de sensibilidad en un tono verde-azulado (en una longitud de onda de 500 nm) y es mucho más sensible que sus primos los conos. De hecho lo son tanto que son capaces incluso de detectar un único fotón, por lo que son usados únicamente en situaciones de baja luminosidad.

Por regla general vemos con los conos. En el día a día vemos un mundo lleno de colores que detectamos únicamente con los conos, pero cuando entramos en penumbra los conos sirven ya de muy poco por la baja sensibilidad que tienen y comenzamos a ver con los bastones. Ese es el motivo por el cual de noche todos los gatos son pardos: en situaciones de baja luz no distinguimos colores porque estamos usando los bastones y únicamente hay un único tipo de bastón.

Pero también existe una diferencia de localización entre conos y bastones. Los conos se reparte únicamente por una pequeña zona llamada fóvea. Los bastones se reparten principalmente fuera de la fóvea. De hecho hay únicamente 6 millones de conos en la retina frente a 130 millones de conos.

Pero echémosles un vistazo a la retina. Como ya te dije, el pupila es un agujero, no tenemos más que iluminarlo y mirar por él para obtener esta imagen:

Retina

La zona marcada a la izquierda es la Fóvea y se ve claramente cuál es su extensión porque esta ligeramente sombreada. Ahí tenemos los conos, es decir, es la única parte con la que detectamos el color. El resto de la retina únicamente es capaz de ver en blanco y negro.

Quizás no le veas mucho sentido, pero recuerda que los conos sirven únicamente en condiciones adecuadas de luminosidad y que en esas condiciones tenemos la pupila contraída. Es decir, ésta sólo deja pasar una pequeña haz de luz que se proyecta únicamente sobre la fóvea. Al estar en penumbra, la pupila se dilata y se abre para dejar pasar la mayor cantidad de luz posible que se reparte por toda la retina. Como ves sería inútil tener conos fuera de la fóvea pues esta zona únicamente se usa cuando la pupila se abre y esto sólo ocurre cuando hay poca luz, con lo que los conos sería inútiles en esas condiciones.

Una vez que ya sabes como funciona la visión, ¿cabe seguir diciendo que el ojo es el sistema óptico más perfecto jamás creado? Bueno, es uno muy bueno, pero la calidad de imagen dista mucho de ser la mejor. Y no hablo de un ojo con algún tipo de defecto como miopía, astigmatismo o hipermetropía, sino de un ojo sano. Es luego el cerebro quien tiene que ir corrigiendo los defectos que de la imagen que le llega.

Si aún sigues sin creer que el cerebro corrige los defectos propios de la visión, te daré la prueba definitiva. Fíjate en la imagen de la retina anterior. Hay un punto que es donde el nervio óptico entra en el ojo y lo hace por la retina. Es la zona más amarilla de todas marcada con un “optic nerve”. Es decir, justo en ese punto no vemos absolutamente nada puesto que no hay ni conos ni bastones. A esa zona se la conoce como “punto ciego” y hay una forma de que puedas notar su presencia.

Mira el dibujo con la cruz y el punto. Tápate el ojo derecho y con el izquierdo fija tu vista en la cruz de la pantalla. Acerca la cara lentamente a la pantalla sin dejar de poner atención en el punto pero con la mirada siempre fija en la cruz. Si haces esto, estarás viendo el punto por “el rabillo del ojo”. Verás que cuando estés más o menos a 15-20 cm de la pantalla (depende de la resolución de tu monitor) el punto simplemente desaparece. Al acercarte o alejarte un poco más volverá a aparecer de nuevo.

Eso es debido a que justo en esos 15-20 cm el punto cae justamente en tu punto ciego y por tanto tu ojo no puede verlo.

En condiciones normales tu ves con 2 ojos. Cada uno de ellos tiene un punto ciego en una zona: el del ojo derecho está a su derecha y el del ojo izquierdo está a su izquierda. De esta forma la zona que no ves con el punto ciego de un ojo la ves con el otro.

Pero cuando te tapas un ojo es imposible evitar el punto ciego. Para evitar ver una zona negra, el cerebro es el que se encarga de rellenar lo que hay ahí con lo que a él le parece. En este caso el ve un punto rodeado de una zona blanca. Cuando el punto deja de verse porque está enfocado en el punto ciego tu cerebro rellena esa parte con lo que le rodea: un espacio en blanco. Si haces este mismo experimento en una hoja cuadriculada, verías que el punto desaparece y queda la cuadrícula del papel, si el punto estuviese rodeado por un estampado verías que el punto desaparece y queda el estampado. Es decir, tu cerebro te engaña para que no notes que hay una gran zona de tu ojo por la que no ves absolutamente nada.

Y si te fijas no he entrado para nada en ilusiones ópticas ni demás trampas para engañar al cerebro.

¿Aún sigues creyendo que la imagen que te da el ojo es superior a la de cualquier cámara fotográfica de hoy en día?

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

Posted by José Ignacio Merino in Óptica, cuerpo humano.
3 comments

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.

El ojo (Parte I) 23 noviembre 2009

Posted by José Ignacio Merino in Óptica, cuerpo humano.
3 comments

Hoy voy a hablar de nuestro ojo. Podrás creer que nuestro ojo es una perfecta cámara que nos da una imagen muy superior a lo que ningún artefacto humano de hoy en día podría dar… Pero nada más lejos de la realidad. En realidad es nuestro cerebro el que nos hace creer eso. Si proyectásemos en una televisión la imagen real que sale directamente del ojo no daríamos crédito a lo que vemos. Lo primero que nos llamaría la atención sería una gran mancha oscura en un lado de la pantalla, luego sólo observaríamos nítido lo que hay en el centro y el resto estaría completamente desenfocado y con los colores alterados.

Entonces ¿por qué vemos bien con el ojo? Básicamente porque tenemos un cerebro detrás que nos engaña. Si quieres enterarte bien de cómo es el proceso de visión, tendrás que seguir leyendo…

Desde fuera, podemos ver que nuestro ojo tiene 3 partes diferenciadas. La esclerótida es la parte blanca del ojo, el iris es la parte coloreada y el agujero negro es la pupila, que es por donde entra la luz en el ojo. Quizás te sorprenda esto, pero realmente la pupila no es un punto de color negro, sino un agujero hacia el interior del ojo que podemos variar de tamaño. El encargado de hacerlo es el músculo del iris, que es un esfínter que no podemos controlar conscientemente y que hace que la pupila sea más grande o más pequeña en función de la luz que necesitamos que entre el el ojo. Mientras menos luz haya, más grande (o dilatada) está la pupila, cuando hay mucha luz la pupila disminuye de tamaño para evitar que entre demasiada en el ojo.

Cuando tomamos drogas o alcohol perdemos el control involuntario de la pupila, ésta se dilata y cuando le toca contraerse lo hace muy despacio y a destiempo. Seguro que has experimentado esto alguna vez cuando vas con una copa de más y de repente pasas de un sitio oscuro a otro bien iluminado. La luz te molesta más de lo normal y es debido a que has perdido el control de tu pupila.

Pupila contraída (fuente: Wikipedia)

Pupila contraída (fuente: Wikipedia)

Pupila dilatada (fuente: Wikipedia)

Pupila dilatada (fuente: Wikipedia)

Quizás en este momento te estés preguntando que si la pupila es un agujero, ¿por qué siempre está negra? Si lo piensas tiene sentido: tu ojo está hecho para absorber toda la luz que le llegue, así que apenas sale nada y este es el motivo del color negro. Bueno, en determinadas ocasiones sí que sale luz. No hay más que darnos un fogonazo con un flash estando en plena oscuridad y con las pupilas bien dilatadas para que salgamos con los ojos rojos en la foto. Eso es debido a que la luz del flash nos entra en el interior del ojo y es tanta la intensidad, que una parte sale hacia fuera. Pero claro, en el interior del ojo hay multitud de vasos sanguíneos que son los que han reflejado la luz, así que sale con ese color.

Para evitar que salgamos en las fotos con la pupila roja, no tenemos más que poner el flash de la cámara en modo “ojos rojos”. Lo que hace la cámara es pegar 2 fogonazos con el flash. Cuando recibamos es primero, nuestros ojos detectarán que están recibiendo mucha luz y el iris recibirá la orden de contraer la pupila. Esto hace que cuando recibamos el segundo fogonazo (que es el de verdad y con el que se hace la foto), la pupila esté bien contraída y entre muy poca luz del flash en el ojo.

Ahora podemos empezar a ver el interior de nuestro ojo.

400px-Eyesection-es.svg

Nada más pasar por la pupila, tenemos al cristalino que es la lente que nos permite enfocar objetos en al distancia o en la cercanía. El cristalino es flexible y según este deformado o relajado podremos ver los objetos cercanos o lejanos, siendo los músculos ciliares son los encargados de hacerlo. En un estado relajado, el cristalino se encarga de enfocar los objetos lejanos y cuando los músculos ciliares actúan deformando el cristalino, es capaz de enfocar objetos cercanos. Mientras más esfuerzo hagan los músculos ciliares, más deformado estará el cristalino y más cercanos son los objetos a los que podemos enfocar. En una persona normal, el cristalino es capaz de enfocar a objetos hasta a una distancia de 15 cm. Es decir, ese es el punto más cercano al que podemos leer un texto.

Izquierda: Cristalino relajado enfocando objetos lejanos. Derecha: Cristalino deformado enfocando a un objeto cercano. (fuente: Wikipedia)

Izquierda: Cristalino relajado enfocando objetos lejanos. Derecha: Cristalino deformado enfocando a un objeto cercano. (fuente: Wikipedia)

Con la edad, la flexibilidad del cristalino se pierde y cada vez le cuesta más trabajo deformarse. Eso hace que poco a poco perdamos la capacidad de enfocar objetos cercanos. Primero dejamos de poder enfocar objetos a 15 cm y sólo podemos enfocar a 20 cm. Pero esto no lo notaremos. Es cuando dejamos de poder de enfocar a unos 30 cm cuando comenzamos a darnos cuenta. Notamos que para leer un libro tenemos que alargar los brazos para poder leer las letras. Conforme pasan los años tenemos que ir alargando los brazos más y más para leer… y cuando los brazos ya no dan más de sí, entonces es cuando decidimos ir a la óptica a comprarnos unas gafas. Esto se le conoce como “vista cansada”.

Básicamente, el cristalino es el encargado de que los rayos de luz que entran por la pupila se concentren en el fondo del ojo. Es decir, actúa como una lupa. Por eso es tan peligroso mirar un rato directamente al sol. Si cogemos una lupa y concentramos los rayos del sol en un papel, al cabo del tiempo el papel acaba quemándose. Igual, si miramos el Sol, el cristalino hará de lupa y los rayos del sol harán exactamente igual con el fondo del ojo que con el papel: lo quemará y perderemos vista. ¿A que sabiendo esto ya no te atreves a mirar al Sol tan alegremente?

Es en el fondo del ojo es donde se forma la imagen, exactamente igual que un proyector forma la imagen sobre una pantalla. La luz entra por la pupila, el cristalino la enfoca y se proyecta en la retina, que está forrada de detectores de luz que la transforman en impulsos nerviosos que van al cerebro.

En la retina hay 2 tipos de detectores: los conos y los bastoncillos. Como creo que habrás captado, el nombre de ellos es simplemente por la forma que tienen. Los conos son los encargados de la recepción del color y hay 3 tipos: los encargados de recibir el rojo, el verde y el azul. Los bastoncillos solo detectan el rojo y son mucho más sensibles que los conos, por eso sólo los usamos en situaciones de oscuridad.

Pero esto del color merece un punto y aparte. Fíjate que todas las teorías del color nos dicen que hay 3 colores primarios a partir de los cuales podemos formar el resto de colores. Esos colores primarios son el Rojo, Verde y Azul y que curiosamente coinciden con los colores que detectan los 3 tipos de bastoncillos que hay en nuestra retina.

En la siguiente imagen tenemos lo que ocurre cuando mezclamos esos colores primarios:

Lo que se obtiene al mezclar Rojo, Verde y Azul

Lo que se obtiene al mezclar Rojo, Verde y Azul

Quizás esta figura te resulte algo extraña porque si coges pinturas y mezclas verde, roja y azul no te sale blanco, como indica el dibujo, sino un marrón muy oscuro. Eso es porque el dibujo esquematiza la mezcla de colores con luces y no por pigmentos. De hecho cuando usas pinturas, los colores primarios no son Rojo, Verde y Azul, sino el Amarillo, Magenta y Cían. La diferencia es que con luces los colores se forman emitiendo luz, y por pigmentos, los colores se forman absorbiendo luz.

Ahora bien ¿qué es en realidad el color? Si lo piensas la luz tiene una propiedad que se llama color y que simplemente es una sensación que recibimos en el cerebro. ¿Realmente la luz tiene esa propiedad llamada “color”? Pues sí y no. Realmente el “color” que nosotros percibimos es una mezcla de una propiedad de la luz y de nuestras percepciones. Por ejemplo, cuando vemos un objeto rojo, la luz que emite el objeto sí que tiene una propiedad física que nos dice que es roja. Pero si el objeto es Rosa, la cosa cambia drásticamente. Físicamente no existe el color Rosa, es decir, no existe ninguna propiedad física que diga que la luz sea rosa. De hecho, el rosa no es un color del arco iris ¿verdad? Quizás esto no lo hayas entendido muy bien, pero para explicártelo tendré que hablarte de las propiedades de la luz, de fotones, de energía y de longitud de onda. No te preocupes, será sólo un ratito, pero será en una próxima entrega.

Hasta entonces.