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EL EXTRAÑO COMPORTAMIENTO DE LA LUZ

"A simple vista" la luz parece algo bastante cotidiano: de noche basta con dar un interruptor para que podamos ver los objetos que nos rodean, la luz es simplemente una radiación electromagnética que nos permite ver los objetos. Sin embargo, el comportamiento de la luz es increíblemente extraño, es completamente diferente de cualquier objeto cotidiano. Para empezar a darnos cuenta de esto vamos a describir un experimento muy sencillo: una fuente de luz roja S, un espejo y un detector de luz P (un fotomultiplicador) separados por una pared:


Como todos sabemos por las leyes de la óptica (clásica), si la fuente de luz y el detector se encuentran a la misma distancia del espejo y de la pared de separación, el ángulo de la luz incidente será igual al ángulo de la luz reflejada, por tanto, está claro que la luz se refleja en el centro del espejo (zona G). Según esto, las zonas alejadas del centro como la zona A no deberían de intervenir para nada en la reflexión de la luz.

Ahora vamos a hacer lo siguiente: cortamos las 3/4 partes del espejo y dejamos solo la zona del extremo izquierdo, es decir las zonas A,B y C:


Tal y como esperábamos el detector P no detecta ningún fotón, sin embargo, si a continuación cogemos un objeto muy afilado y rayamos con mucho cuidado determinadas zonas del trozo de espejo separadas por una determinada distancia fija:

Increíblemente ¡ EL DETECTOR COMIENZA A DETECTAR FOTONES ! ¿Como es esto posible?¿Como explicamos este resultado aparentemente sin sentido? Evidentemente la acción de rayar el espejo no debería cambiar nada, la luz no debería reflejarse en ese trozo del espejo. Lo que sucede realmente es lo siguiente: la luz no solo toma el camino previsto en linea recta "rebotando" en el centro del espejo, LA LUZ EN REALIDAD TOMA TODOS LOS CAMINOS POSIBLES ENTRE S Y P. Lo que sucede es que, en el espejo entero de la primera figura, las AMPLITUDES DE PROBABILIDAD de los caminos alejados del centro se anulan y solo es importante la probabilidad del camino central, de forma que parece que la luz solo realiza este trayecto.

Para ver esto más claro, asignaremos una flecha imaginaria (en el sentido literal) a cada punto del espejo. Una flecha se distingue por su orientación y su longitud, la longitud representa la amplitud de probabilidad y la orientación está descrita por un ángulo. Sucede que, tomando el espejo en su conjunto, el ángulo de la flecha, que representa la amplitud de probabilidad, está siempre oscilando con el tiempo, de forma que puntos que están a la misma distancia de la fuente de luz tendrán el mismo ángulo pero puntos ligeramente más alejados tendrán ángulos ligeramente diferentes:

En los puntos más alejados del centro (A,B,C,D y J,K,L,M) la luz tarda más en llegar al detector y como entre cada uno de ellos existe una diferencia de tiempo relativamente grande las flechas apuntan cada una hacia un lado por lo que al sumarlas se anulan. En los trayectos centrales (E,F,G,H,I) la diferencia de tiempo es menor, por ello las flechas apuntan casi en la misma dirección y son las que contribuyen en mayor medida a la longitud de la flecha final que será la amplitud de probabilidad efectiva y real.


Bien pues lo que sucede es lo siguiente: la amplitud de probabilidad es LA MISMA para todos los puntos del espejo, sin embargo, en los puntos centrales, que coinciden con el trayecto MAS CORTO la diferencia de distancia en el trayecto es muy pequeña por lo que la orientación de estas flechas será muy parecida (todas apuntan en una dirección muy parecida) mientras que en los trayectos más alejados del centro las flechas contiguas tienen una dirección muy diferente, casi opuesta. La probabilidad final de que un fotón vaya de S a P es LA SUMA de todas las amplitudes de probabilidad, es decir, la suma de todas las flechas y por tanto las flechas centrales son las que más contribuyen a la amplitud de la flecha final.

Cuando cortamos el espejo, las flechas de las partes A, B y C se siguen cancelando pero si quitamos (rayamos) la parte del espejo en donde las flechas apuntan en una dirección determinada, por ejemplo, a la izquierda y dejamos las partes en donde las flechas apuntan hacia la derecha entonces LAS FLECHAS YA NO SE CANCELAN y ¡ el espejo refleja la luz!

Este experimento demuestra sin ninguna duda algo que parece increíble: la luz sigue todos los trayectos posibles, por lo que se refleja en todos los puntos del espejo con la misma amplitud de probabilidad. Este comportamiento es debido al comportamiento ondulatorio de la luz, ésta es capaz de interferir consigo misma produciendo un patrón de interferencia: los valles y los picos se anulan mientras que las combinaciones de pico-pico y valle-valle se refuerzan.

Para luz de distinto color a la roja la flecha de la amplitud de probabilidad gira más deprisa ya que la frecuencia de la luz es mayor, por tanto los espacios de la última figura que representan un giro de un cierto ángulo estarán más juntos y la luz se refractará con un ángulo ligeramente mayor. Esto quiere decir que si S es una bombilla usual que emite luz de todas las frecuencias, al ir desplazando el detector P hacia arriba detectaremos luz de distintos colores:

Este espejo con zonas rayadas se denomina "red de difracción" y explica como podemos analizar la composición de un cristal analizando la luz que difracta o porqué cuando movemos un CD dentro de un ángulo correcto vemos destellos de distintos colores (los "surcos" impresos por el láser en el CD funcionan como las zonas rayadas del espejo).


Para terminar, otro efecto curioso, consecuencia del "extraño" comportamiento de la luz. Cuando hace mucho calor, podemos ver agua en la carretera (espejismos) aunque esta no esté mojada. Esto se produce porque la luz sigue el camino donde las "flechas no se anulan" es decir el camino con el trayecto más corto:

La luz, para viajar desde el cielo hasta el ojo del observador viaja siempre por el trayecto más corto. Debido a que la luz viaja más rápido en el aire caliente que en el frío la luz se tuerce y "ataja" por el aire caliente que genera el asfalto de la carretera, el observador ve luz de color cielo que parece provenir de la carretera y su cerebro interpreta erróneamente que la carretera debe estar mojada (ya que es la única situación en la que se puede ver el cielo reflejado en la carretera). Esta es la explicación de los llamados espejismos.


Fuentes: Electrodinámica Cuántica, Richard Feynman

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