Luz y color: visión cuántica

Lo que conocemos coloquialmente como “color de las cosas” es el resultado de varios procesos cuya naturaleza es, en la mayoría de los casos, esencialmente cuántica. El fenómeno es producto de acontecimientos simultáneos en ambos protagonistas: el observador y lo observado. Así pues, encontramos una conexión insospechada entre nuestra experiencia cotidiana del color y los principios cuánticos subyacentes que son responsables.

Vista histórica

Nuestra concepción de la luz y el color tiene una larga y sinuosa historia. En su creación estuvo fuertemente condicionado por los caprichos de la experiencia visual subjetiva. Actualmente distinguimos sus aspectos físicos (la luz como fenómeno electromagnético y fundamentalmente cuántico), fisiológicos (su detección en el ojo y comunicación con el cerebro) y psicológicos (su interpretación en términos de color). Sin embargo, en la antigüedad esto no estaba nada claro.

Empédocles (siglo V a. C.) propuso una teoría integral de la luz y la visión que combinaba dos ideas: la luz es una emanación viajera y la visión implica un rayo que sale del ojo. Es la idea de extramisión, hoy comparable a la puesta a tierra óptica y que se puede rastrear en películas como El hombre de los rayos X en los ojos o Superman. Por otro lado, y al mismo tiempo, Leucipo defendió tempranamente la idea de la intromisión, según la cual los objetos emiten un derrame que el ojo recibe, posibilitando la visión.

En el siglo XI, Alhassen explicó (con argumentos que lo acercan a la ciencia moderna) que la vista se debe a la luz reflejada en los objetos y dirigida a los ojos. Lo que quedó pendiente, sin embargo, fue una discusión sobre la naturaleza misma de la luz que, en siglos posteriores, involucró a Isaac Newton (siglos XVII-XVIII, defensor de la teoría corpuscular) y Christian Huygens (siglo XVII, promotor de la teoría ondulatoria), entre otros excéntricos como el jesuita Athanasius Wolf (siglo XVII) y Woolf en el siglo XVII. Goethe (siglos XVIII-XIX), que prestó atención sobre todo a la experiencia. color sensorial.

luz y materia

A principios del siglo XIX, el científico inglés Thomas Young demostró que la luz es un fenómeno ondulatorio mediante una serie de experimentos de interferencia de doble rendija, ahora clásicos. La luz estaba formada por ondas, pero ¿ondas de qué?

Estudios posteriores determinaron que la luz es una oscilación de un campo electromagnético que se propaga en el vacío a una velocidad aproximada de 300.000 km/s. La llamada luz visible, que percibimos con nuestros ojos, no es más que una pequeña parte del espectro que va desde las suaves ondas de radio hasta los muy energéticos rayos gamma, invisibles para esos mismos ojos (pero no para otros órganos, como la piel, donde la radiación infrarroja se percibe como calor, y la radiación ultravioleta deja un rastro).

Los diferentes colores que observamos al descomponer la luz visible a través de un prisma corresponden, por tanto, a diferentes frecuencias de oscilación de estas ondas. Una característica importante de la teoría electromagnética es que asocia firmemente la luz con sus fuentes: las cargas eléctricas en movimiento.

La radiación electromagnética se produce por la carga eléctrica acelerada que forma la propia materia, como electrones o protones, ya sea en una antena (ondas de radio o microondas), en una bombilla o LED (luz visible), en un tubo de rayos X o en un núcleo atómico en descomposición (rayos gamma). En definitiva, la luz y la materia están fundamentalmente conectadas: las cargas eléctricas pueden perder o ganar energía al emitir o absorber ondas electromagnéticas. ¿Cómo sucede esto?

Pequeños paquetes de energía

Hacia 1900, el desafío tecnológico de convertir la iluminación de gas en iluminación eléctrica impulsó a la comunidad científica a estudiar los mecanismos de emisión de luz en cuerpos incandescentes. En un intento de reproducir su espectro de emisión y evitar la llamada “catástrofe ultravioleta” (emisión exagerada de radiación muy energética, predicha por la teoría clásica del electromagnetismo, que no se cumple en la práctica), Max Planck descubrió que este fenómeno requería una nueva construcción teórica de las ondas luminosas en las que están presentes paquetes de energía luminosa.

De esta forma, la energía total emitida tenía que ser múltiplo de la cantidad mínima indivisible, que dependía exclusivamente de la frecuencia de oscilación de la luz (o, en otras palabras, de su “color”). Planck llamó a cada uno de estos paquetes de energía “cuánticos” y nada volvió a ser igual.

Lo que para Planck era una habilidad matemática, en manos de Einstein se convirtió en una parte fundamental del rompecabezas de la naturaleza. Se dio cuenta de que los cuantos permitían explicar el efecto fotoeléctrico, una respuesta única a la absorción de luz en los metales según su frecuencia, que la teoría electromagnética clásica no podía explicar.

En el campo de la espectroscopia atómica, un conjunto de técnicas analíticas que estudian la interacción de la radiación electromagnética con los átomos para determinar la composición elemental de una muestra, los cuantos de luz (eventualmente llamados “fotones”) explican las líneas de emisión y absorción como transiciones de energía bien definidas entre estados electrónicos en los átomos. Más importante aún, estos fenómenos revivieron la interpretación corpuscular de la luz, pero sin desplazar sus características ondulatorias previamente establecidas. Son hallazgos centrales para comprender la relación entre la luz y los cuantos, como veremos a continuación.

Raíces cuánticas de color

De acuerdo con lo anterior, cuando un haz de luz incide sobre un material (lo que se está observando), los fotones que lo componen sólo pueden ser absorbidos si su energía coincide con el paso energético que existe entre los dos niveles electrónicos del material. Cuando esto sucede, los electrones que se encuentran en el nivel de energía más bajo, conocido como “tierra”, pasan a un nivel superior, el estado “excitado”.

Estos electrones, después de un período de tiempo (normalmente del orden de una milmillonésima de segundo), pueden relajarse y volver a su estado fundamental, ya sea a través de vibraciones de los átomos o moléculas que componen el material o emitiendo fotones de menor energía.

Por tanto, la energía absorbida originalmente puede devolverse al medio ambiente en forma de calor (disipación) o luz (luminiscencia). Todos estos procesos tienen lugar entre estados discretos (es decir, secuencialmente: sistemas o variables que sólo pueden tomar valores fijos y discretos, como encendido/apagado, 0 o 1) de las partículas involucradas, ya sean fotones, electrones o vibraciones, cuyas propiedades están determinadas por la mecánica cuántica.

Sin embargo, ¿qué ocurre con la luz incidente cuya energía no coincide con ninguno de los saltos entre los niveles electrónicos del material? Simplemente no se absorbe y por tanto los fotones que lo componen son necesariamente reflejados o transmitidos. Son estos fotones los que llegan a nuestros ojos (los de los observadores) y determinan el color de los objetos que observamos.

ojos cuánticos

Tras atravesar la córnea, la pupila, el cristalino y el cuerpo vítreo, los fotones reflejados, transmitidos o emitidos por el objeto de nuestra observación llegan a la retina. Allí, a su vez, excitan unos receptores llamados conos que contienen pigmentos encargados de absorber fotones de distintos colores. Esta captura se produce mediante un proceso similar al descrito para la absorción de luz que tiene lugar en el objeto observado, es decir, esencialmente cuántico.

Los conos convierten la señal luminosa que reciben en señal eléctrica y ésta viaja a través del nervio óptico hasta el cerebro hasta llegar a la corteza visual, que interpreta, invierte y da significado a esa señal. Así, los diferentes colores que percibimos dependen del catálogo de niveles de energía de los objetos observados -ya que determinan la energía del fotón que será reflejado, transmitido o emitido- y del buen funcionamiento de los receptores de nuestra retina.

La falla en detectar cualquiera de estos receptores (cianopsina para el azul, cloropsina para el verde, eritropsina para el rojo) da como resultado una disfunción cromática conocida como daltonismo. Tanto en observador como en observador, los procesos implicados en el fenómeno del color sólo pueden describirse adecuadamente gracias a la teoría cuántica desarrollada inicialmente por Einstein y Planck para explicar el espectro de emisión de objetos como lámparas o estrellas.

Colores clásicos

Punto final. Aunque toda la luz es de origen cuántico, como la mayoría de los fenómenos responsables del color, existen excepciones muy notables. La blancura de una nube, el resplandor iridiscente de un insecto, el brillo iridiscente de una pompa de jabón… son expresiones de un fenómeno cromático que puede explicarse considerando únicamente la naturaleza ondulatoria de la luz, ya descrita con precisión en el siglo XIX en el marco de la física clásica, sin necesidad de recurrir a ningún concepto cuántico.

En todos estos casos, el color que observamos es el resultado de la forma en que se estructura la materia en escalas de longitud del orden de micras (millonésimas de metro). En lugar de la absorción o emisión de luz debido a saltos de electrones entre niveles de energía bien definidos, necesarios en la física cuántica, los procesos relevantes en estos ejemplos son la dispersión, la interferencia y la difracción de la luz. Dependen no tanto de la estructura electrónica del material como de la forma en que cambia la propagación de las ondas de luz cuando pasan a través de regiones de diferente índice de refracción.

Se trata de un fenómeno conocido como color estructural, que produce algunos de los colores más llamativos de la naturaleza. La física subyacente en estos casos, aunque conceptualmente menos compleja que la cuántica, es igualmente fascinante.

Una versión de este artículo fue publicada en la revista Telos de la Fundación Telefónica.