Desde que existe la humanidad nos hemos preguntado ¿qué es la luz?, una pregunta cuya simple formulación esconde una compleja interpretación.

Como todo concepto abordado desde el conocimiento, la interpretación depende del punto de vista que adoptemos. Una mirada ecléctica es el bello ejercicio de conciliar diversas visiones, interpretaciones y significaciones.

En este ejercicio intelectual, uno va descubriendo que la luz tiene distintas facetas, es un objeto de estudio en Física, es una inspiración mitológica y también es un simbolismo ligado a nuestra existencia. Vida, evolución, dioses, física y concepciones filosóficas pueden conversar respetuosamente a través de la fantasía, realidad, y ficción.

Vida y luz

Cerremos los ojos y fantaseemos nuestra mágica irrupción en este mundo.

Se dice que la naturaleza es cambiante y que el grado de desorden sólo puede aumentar conforme pasa el tiempo. Como seres gestantes emergemos desde la oscuridad de ese medio cálido y acuoso del vientre materno hacia el frio y luz de este nuevo espacio.

Como diría el filósofo Platón, se nos presenta así por primera vez el mundo sensible, aquel que sólo percibimos con nuestros sentidos. A los segundos, vamos adaptándonos a la luz externa; entre llantos y gritos, luchamos para abrir nuestras inexpertas pupilas al peso de esta existencia. Ya con los ojos abiertos descubrimos nuevas formas, sombras, rostros y colores que desdibujan este nuevo entorno.    

Hemos nacido, somos un torbellino intrincado de pensamientos y complejas emociones que empiezan a germinar desde nuestro interior. Lo que no sospechamos, es que estas transformaciones internas serán claves para alimentar nuestra esencia.

Este viaje mental nos enseña que la luz es una puerta de entrada a este plano de existencia, es decir, a la vida. Aquella luz existe, y ha existido por mucho tiempo desde el inicio del Universo, tiene sus misterios y nos regala la oportunidad para descubrir el lugar que ocupamos en la naturaleza. 

Podemos elaborar que vida y luz son dos conceptos que están unidos indisolublemente en nuestra experiencia cotidiana. A modo de ejemplo, los seres humanos poseemos un ciclo circadiano de 24 horas (cambios físicos y mentales) conectados al ciclo día-noche, realizamos nuestras labores de día (mayoritariamente) y gran parte del engranaje vital en este planeta requiere de la energía solar.

De cierta manera, nuestra existencia misma le debe su razón de ser a la luz. Además, nuestro planeta transita la llamada zona habitable del sistema solar. En esta región habitable, la temperatura es la óptima para que pueda existir el agua en los tres estados: líquido, sólido y gaseoso.

Esta ubicación estratégica crea condiciones atmosféricas ideales para que exista la vida y eventualmente evolucione.

Meditémoslo un momento. Si estuviésemos muy cerca de Sol viviríamos el caloroso efecto invernadero de Venus, pero si nos alejáramos mucho seríamos un gigante de hielo como Urano. Por lo tanto, para que exista la vida se requiere luz en su justa medida. 

Como vemos, este regalo llamado vida es propiciado por la justa distancia de la Tierra respecto al Sol. Pero ¿qué es el Sol?.

El Sol es un tipo de estrella bien particular dentro de las estrellas del universo. El Sol tiene 4.603 millones de años, y se define como una estrella tipo-G de la secuencia principal, las cuales destacan por convertir hidrógeno en helio al interior de su núcleo a través del proceso de fusión nuclear.

Este proceso de fusión nuclear libera una gran cantidad de energía electromagnética (que luego discutiremos), generando una temperatura superficial solar de unos 5505°C. Esta energía solar viaja a través del espacio a la velocidad de la luz, ¡a unos 300.000 kilómetros por segundo!, aun así, tarda alrededor de 8,2 minutos en llegar a la Tierra. En promedio, la Tierra recibe unos generosos 1361 Watts por metro cuadrado, la famosa constante solar, nuestra fuente de energía basal.

La luz solar es una energía necesaria para inducir una serie de procesos en cadena dentro de la complejidad climatológica y biológica terrestre.

Además, la luz solar es uno de los elementos claves para la fotosíntesis, proceso químico llevado a cabo por plantas, algas y cianobacterias que generan el oxígeno que respiramos día a día.

A modo de ejemplo, en el Salar de Atacama se encuentran a simple vista unas rocas estratificadas formadas por sedimentos y comunidades de algas verdiazules (cianobacterias) llamados estromatolitos, los cuales tienen una antigüedad de 3.000 millones de años. Se cree que los estromatolitos fueron los primeros organismos en realizar fotosíntesis a gran escala en nuestro planeta. Por lo tanto, la luz por sí sola no basta; la magia aparece cuando se fusiona con otros elementos fundamentales.

Luz y Mitología

No es de extrañar que lo divino y la luz hayan sido una poderosa fuente de inspiración para distintas civilizaciones. Esto se puede evidenciar en diversos relatos míticos, creencias populares y cosmovisiones ancestrales.

De cierta forma, la luz era algo que las antiguas culturas lo reflexionaban con recelo, llegando a profundas interpretaciones simbólicas que dan sentido a la levedad de nuestra existencia. Esta íntima relación que existe entre el Sol y la Tierra ha inspirado, por ejemplo, los dioses solares, depositándose en ellos un poder insoslayable e irreemplazable.

Estos dioses solares, como Utu (Sumeria), Horus-Ra-Osiris (Egipto), Helios (Grecia), Inti (Inca), por nombrar algunos, siempre han estado ligados a la vida, calor, luz, y también a virtudes como la sabiduría o conocimiento.

Es innegable que la humanidad ha tenido una conexión espiritual con el Sol, ya sea a través de sus festividades solsticiales, simbolismo de los eclipses, templos alineados con la posición del Sol y astros, vestimentas e instrumentos para adorar y observar el Sol, calendarios solares, o estructuras antiguas como Stonehenge en el Reino Unido, Las Pirámides de Egipto o las pirámides truncadas de Teotihuacán. 

Un ejemplo de simbología mítica del Sol se encuentra arraigado en la cosmovisión mapuche, donde el Sol o Antü está ligado a una fuerza masculina que representa la organización del día, tiempo, y es el responsable de los solsticios en su posición aparente respecto a la Tierra. Su opuesto complementario es la Luna o Küyen, fuerza femenina que representa la organización de los trabajos, relevante para la pesca, cosecha y fertilidad. En el libro “Wenumapu: Astronomía y Cosmología Mapuche”, se puede extraer este simple y honesto relato:

“Al Sol se le valora mucho más, al Sol. Es el que le entrega vida a la gente, le entrega calor, le otorga calor a todas las personas y, hasta donde llega la tierra, el Sol está entregando su calor, el Padre Sol”. Seberiana Ancanao, Lob Chenkeko, 2010

Lo maravilloso de estas cosmovisiones antiguas es el profundo respeto hacia los elementos primordiales de la naturaleza.

El Sol, desde esta perspectiva, nos entrega calor y genera vida, no sólo a las personas, sino que a todos los seres vivos que directa o indirectamente dependen de él. Si bien el Sol es nuestra fuente principal de luz, el humano también ha descubierto otras fuentes de luz a lo largo de su evolución.

Entonces, cabe plantearse dos preguntas: ¿qué es científicamente la luz? y ¿cómo la luz ha aportado a la evolución de la humanidad? Al tratar de responder esta pregunta nos sumergiremos en un viaje científico que camina junto a una antigua disciplina científica llamada Física.

La luz de la Humanidad

Retrocedamos un poco el tiempo y mezclemos el relato con ficción, y luego volvamos a la realidad.

En el inconsciente colectivo vive la imagen de Thomas Alva Edison, el genio inventor, científico y empresario norteamericano que llevó la bombilla incandescente a niveles insospechados para la época.

En la película “The Current War”, traducida al español latino como “Una guerra brillante”, se nos muestra una escena donde un maravillado Tomas Edison nos relata aquello que sintió el día que encendió una ampolleta por horas. Estamos hablando del 21 de octubre de 1879; luego de un laborioso trabajo de 14 meses, Edison y su equipo lograron mantener encendida una bombilla por casi 14,5 horas. 

Imaginen el mundo alrededor del 1879.

Chile estaba iniciando la guerra del Pacífico contra Perú y Bolivia, y en otro punto del globo terráqueo, un grupo de investigadores habían logrado crear luz artificial gracias al entendimiento de los principios de la electricidad y el magnetismo. Es realmente notable la profunda relación que existe entre los fenómenos eléctricos y magnéticos del universo, y la esencia física de la luz.

Estos principios eléctricos y magnéticos habían sido unificados por el físico teórico James Clerk Maxwell, quien, a sus 35 años, publicó su obra maestra: “A dynamical Theory of the Electromagnetic Field”, traducida como “Una Teoría Dinámica del Campo Electromagnético”, publicado el año 1865 en la Royal Society of London. Esta unificación es una poesía de precisión matemática que resume la teoría electromagnética en cuatro ecuaciones fundamentales que son las bases teóricas de todo lo que se enseña hoy en día respecto a electricidad y magnetismo en cualquier universidad del mundo. Según nos relata el propio Maxwell:

“La concordancia de los resultados parece mostrar que la luz y el magnetismo son afecciones de la misma sustancia, y que la luz es una perturbación electromagnética que se propaga a través del campo según leyes electromagnéticas.” James Clerk Maxwell

Estas perturbaciones electromagnéticas que señala Maxwell son las llamadas ondas electromagnéticas, y es, en esencia, luz que se propaga en el espacio.

Así, el Sol es una fuente de radiación electromagnética, cuyas ondas emitidas varían en tamaño o energía.

En primer lugar, desafiando nuestra intuición, Maxwell notó que estas ondas electromagnéticas no requieren un medio para propagarse. Esto es extremadamente diferente al comportamiento de las ondas mecánicas; como lo son ondas de tsunamis que agitan el agua u ondas sísmicas que sacuden la tierra.

En palabras simples, la luz se puede propagar incluso en el vacío absoluto. En cualquier otro medio como el aire, agua o sólido, la velocidad de la luz tiende a disminuir conforme aumenta la densidad del medio.

En segundo lugar, una onda electromagnética en el vacío viaja a la máxima velocidad observada en el universo, que es aproximadamente 299.792 kilómetros por segundo.

Para imaginar esta gigantesca velocidad, sólo hay que mencionar que la luz es capaz de dar aproximadamente 7,5 vueltas a la Tierra en tan sólo 1 segundo. Esto explica por qué usar fibras ópticas (fibras que transportan luz) es una tecnología altamente eficiente en cuanto al tiempo de transferencia de información. Finalmente, estas ondas electromagnéticas tienen una naturaleza dual; transportan simultáneamente un campo eléctrico y magnético (de ahí su nombre), que oscilan perpendiculares entre sí conforme la onda viaja.  

El poder del humano para controlar estas ondas electromagnéticas inspiró a otro gigante, el inventor serbio Nicola Tesla, quien trabajando en la compañía Westinghouse logró diseñar la icónica central hidroeléctrica de las cataratas del Niágara. El hito de la distribución de energía marcó una nueva era energética para la humanidad, con un fuerte impulso al sector económico e industrial, que eventualmente condujo a una mejora sustantiva en la calidad de vida de las personas.

Si lo meditamos por un instante, esta mejora a la calidad de vida está conectada a la búsqueda de respuestas científicas, a la exploración del ser humano ante lo desconocido y, por supuesto, al abnegado trabajo de grandes personajes de la historia.

El ser humano se caracteriza por explorar el mundo disponible, se lo cuestiona y trata de llegar a respuestas que den sentido y praxis, lo cual nos permite alcanzar lo bello dentro de lo complejo. Probablemente, la cara de asombro de Tomas Edison al encender por horas una ampolleta haya sido similar a la conmoción que generó el descubrimiento del fuego. 

El descubrimiento del fuego o luz emanada por gases incandescentes, hace 790.000 años atrás, permitió dar un paso evolutivo trascendental para el Homo Erectus. Este descubrimiento permitió, entre otras cosas, que grupos de humanos se pudiesen juntar a realizar labores nocturnas, agruparse en torno a un cálido fuego para combatir el frío y fortalecer lazos humanos.

En términos prácticos, tener fuego permite cocinar los alimentos, ahuyentar insectos y mamíferos que aumentaban los índices de mortalidad. Uno de los efectos más increíbles del descubrimiento del fuego tiene relación con el cerebro humano.

Al poder consumir mayores cantidades de proteínas por medio de la carne cocida se propició un importante impacto en el desarrollo y nutrición del cerebro humano, lo cual impulsó el aumento de nuestro volumen cerebral.

Sin lugar a duda, dominar el fuego dictaminó un antes y después dentro de la evolución y el rumbo de hombres y mujeres. Nuevamente, el fuego o luz, viene a presentarse como una llave que permite abrir nuevas puertas en la evolución del ser humano. Sin embargo,: ¿qué es la luz? y ¿de dónde proviene? 

La naturaleza cuántica de la luz

La física o mecánica cuántica es una de las teorías físicas más fundamentales para describir materia y energía a nanoescala.

En el libro “Thirty Years That Shock Physics: The Story of Quantum Theory” se cuenta una historia fascinante de los descubrimientos científicos que dieron origen a lo que es la física cuántica actualmente.

El 14 de diciembre de 1900, en una reunión de la Sociedad Física Alemana, el físico Max Planck logró explicar el comportamiento de las curvas de radiación de objetos a distintas temperaturas, introduciendo la hipótesis del “cuanto de luz” (quanta of light). De la palabra quanta o quantum (latín) proviene el nombre de la palabra en inglés Quantum Physics (Física Cuántica).

Un cuanto de luz es la unidad mínima de energía que puede contener la radiación electromagnética para una determinada frecuencia.

Para calcular la energía contenida en la luz, lo importante es la frecuencia o vibración, es decir, el número de oscilaciones por segundo.

Un láser verde comercial que emite luz de 532 nanómetros de longitud (alrededor de 10640 veces el radio del átomo de Hidrógeno) posee una frecuencia de 564 millones de millones de oscilaciones por segundo. Para esta frecuencia, que es increíblemente alta e inimaginable, uno esperaría una energía muy grande.

Sin embargo, la energía mínima del cuanto de luz se obtiene al multiplicar la frecuencia por la constante de Planck “ℎ”, pero la constante de Planck es tan pequeña (ℎ = 6,6 × 10⁻³⁴Js), que la energía de un cuanto de luz verde es realmente baja. De esta manera, dado que la radiación electromagnética puede tener ondas de frecuencias muy bajas (ondas de radio) o muy altas (rayos gamma), entonces cada material emite una distribución de todas estas posibles frecuencias.

Nuestro Sol tiene una distribución de radiación emitida tal que el 99% corresponde a luz ultravioleta, visible y infrarroja. Lo cual tiene sus beneficios, ya que la luz visible nos permite ver y la luz ultravioleta (en su justa medida) favorece la producción de vitamina D.

Sin embargo, saber que la luz está compuesta por cuantos o paquetes de mínima energía, no explica de dónde proviene la luz.

Niels Bohr elaboró el famoso modelo atómico planetario muy inspirado en el modelo del nuestro sistema solar.

En este modelo, los electrones giran en círculos alrededor del núcleo que está en el centro. Bohr supuso tres postulados físicos: 1) órbitas estables para los electrones, 2) cuantización de las orbitas, y 3) proceso de emisión y absorción de luz.

La cuantización de las órbitas en el modelo atómico de Bohr conduce a la cuantización de la energía del átomo de Hidrógeno. Básicamente la energía del átomo (energía cinética más energía eléctrica) sólo puede tomar ciertos valores discretos, como una especie de código de barra, donde cada barra es la energía que puede tener el átomo.

Esta cuantización de la energía es la huella digital de cada átomo o molécula en el Universo, y explica en gran medida los espectros de emisión y absorción de luz de distintos materiales.

En otras palabras, la luz puede ser absorbida (o emitida) por un átomo sólo si es que coincide con alguna transición energética entre los niveles discretos de energía. Es como subir una escalera; sólo se puede subir o bajar en cierto número de peldaños, lo que sucede es que cada átomo tiene una escalera característica donde los peldaños no son, necesariamente, equidistantes.

Hoy en día, a estos cuantos de luz se les conoce con el nombre de photon (fotón), que en griego significa luz. Estos fotones además tienen una naturaleza dual, puesto que presentan un comportamiento tanto de ondas como de partículas.

En cierta manera, la luz manifiesta una de sus dos caras en función del tipo de experimento que tu realices. Con el avance de las disciplinas científicas se ha logrado crear una gama de aplicaciones tecnológicas que derivan del profundo entendimiento de la luz, que van desde las telecomunicaciones, astronomía, radioterapia, optogenética, fibras ópticas, láser, tecnologías cuánticas, aplicaciones médicas-quirúrgicas e industriales. A nivel cuántico, la luz tiene otras propiedades excepcionales como entrelazamiento, computación cuántica basada en fotones, e incluso permite tener control de la materia. 

En definitiva,: ¿qué es la luz?,

La luz es aquello que permite entender, descubrir y dar sentido a nuestra existencia y lugar en el Universo. La luz es un fenómeno físico, pero también tiene una potente simbología ancestral y connotación cultural, tanto para la vida como para nuestras creencias. A todas luces, la respuesta aún deja espacio para maravillarnos en el futuro. Como dice la locución latina: Ex Umbra In Solem, desde la sombra a la luz, ese el espíritu que debemos despertar respecto a las grandes preguntas.