Fenómenos Ópticos: La luz no brilla, brillan las imágenes.

La óptica es la parte de la física que trata sobre los fenómenos relacionados con la luz. Una parte de ella "la óptica geométrica", trata sobre los fenómenos cotidianos de la luz. Por ejemplo como atraviesa distintos medios transparentes, como se refleja y como las lentes forman imágenes. La Óptica Geométrica es una aproximación de la "Óptica Ondulatoria". Esta última es la que trata la luz como una oscilación de campo eléctrico y magnético que oscilan en planos perpendiculares y ambos transversales a la dirección de propagación:

La Óptica Geométrica aproxima estas ondas a rayos que se desplazan en línea recta. Esta aproximación es plausible si suponemos que:

- la longitud de onda de la luz visible es mayor que la distancia media entre átomos. Esta aproximación permite utilizar parámetros promedio que simplifican el análisis ondulatorio, se define el índice de refracción un indicador macroscópico, donde reside la información promediada de las particularidades microscópicas del material que atraviesa la luz.

- las distancias típicas en los que los campos varían son mucho mayores comparados con la longitud de onda de la luz visible. Esto físicamente pretende decir que los campos no varían su amplitud ni fase en pocos picos de onda. Hay que recorrer "bastantes" picos de onda para notar cambios en los campos.

Además, la luz emitida por una fuente puntual crea frentes de onda esféricos, pero si nos separamos lo suficiente, estos frentes de onda se aproximan a un plano. Por tanto la se trabaja con frente de ondas planos lo que simplifica su estudio.

Si comparamos la longitud de onda media de la luz visible, la distancia interatómica promedio y la distancia típica en la que los campos de la luz varían, podemos observar que son consideraciones asumibles para experiencias cotidianas que involucren experimentos donde se propaga la luz una distancia "normalmente grande", es decir, no demasiado pequeña con respecto nuestro tamaño.

- distancia típica de variación de los campos de la luz: 0.5 mm
- longitud de onda promedio del espectro visible : 0.5 micrómetro (µm): 10-6 metros
- distancia promedio interatómica: 0.5 nanómetro (nm): 10-9 metros

Finalmente la Óptica geométrica aproxima que la luz se propaga como rayos en línea recta en un medio homogéneo. Esto es un resultado exacto válido tras aproximar las ecuaciones de Maxwell de las ondas electromagnéticas con las consideraciones anteriores.

Veamos que predice la Óptica Geométrica sobre el comportamiento de la luz al atravesar una lente convergente:

Echemos un vistazo ahora a las fotos que hice de un experimento que se puede considerar como cotidiano:

La Óptica geométrica es una buena manera de describir los fenómenos de propagación de luz en situaciones cotidianas, primero porque es un instrumento potente que predice buenos resultados y segundo, porque describe de manera simple la formación de imágenes. Sin embargo, las trayectorias de luz no brillan. Cuando vemos la luz entrar por la ventana como un haz, tan solo es el reflejo disperso de las partículas de polvo suspendidas en el aire. Desconocemos por tanto la naturaleza sobre la que se sustenta la luz, naturaleza de la que Óptica Geométrica no pretende decir nada. Sólo podemos observar sus efectos sobre los objetos que dan lugar a imágenes brillantes tras reflejarse la luz en ellos y llegar a nuestros ojos. No creo que sea necesario pedirle más a este punto de partida de la óptica moderna.

Mirando a través de una doble rendija. El significado dual de las cosas.

El experimento original de la doble rendija fue ideado y puesto en práctica a principios del siglo XIX por Thomas Young para discernir entre la dos posibles descripciones excluyentes de la naturaleza de la luz, corpuscular u ondulatoria. Fue cerca de 150 años después cuando el mismo experimento fue encargado de transformar la disyuntiva fundamental en copulativa otorgando como esencia de la luz y de la materia, su dualidad. Desde los antigüos griegos se han discernido dos maneras excluyentes de interacción y de propagación en el universo, como unidades discretas de información o como pulsos continuos. Los fenómenos ondulatorios se han relacionado con procesos continuos de absorción, emisión y transporte de energía. El entendimiento de los principios básicos de una onda, la compresión de lo fundamental y trivial de las ondas como una representación continua de un cambio son los que darán lugar a las propiedades comunes ondulatorias y su caracterización. La naturaleza corpuscular, informa sobre aquellos aspectos discretos de la naturaleza y explica cambios no contínuos de estado de la materia y sus interacciones. El entendimiento de los principios básicos de una partícula, la compresión de lo fundamental y trivial de las partículas como una representación discreta de un cambio son los que darán lugar a las propiedades comunes corpusculares y su caracterización. Por tanto, dos son las maneras que tiene la naturaleza de expresarse habitualmente, como un fenómeno ondulatorio contínuo o como un fenómeno corpuscular discreto. Es el propio concepto de ellos, su raíz, la que los hace excluyentes entre sí y no se podía esperar hasta el siglo XX, que ciertas cosas compartiesen ambas naturalezas. Lo que se descubrió con el desarrollo de la Mecánica Cuántica en la primera parte del siglo XX es que entre ambas descripciones que deberían ser excluyentes se deben complementar para tener una explicación completa del comportamiento de la materia y de la luz. Sin embargo, los problemas filosóficos que pudieran plantearse a partir de la aceptación de una doble naturaleza en el marco de un paragdigma probabilístico de los sucesos, podían evitarse, no culpando a la naturaleza de dual, sino culpando a la teoría y a la capacidad limitada de observación de fenómenos. Es decir, la teoría cuántica era la responsable de la dualidad, y se prefirió entender que la teoría era un instrumento potente para predecir resultados del mundo microscópico, pero no describía la esencia del mundo y no se podía entender la naturaleza a partir de ella. Nuestra incapacidad para poder observar ciertos fenómenos era la causante de que se tuviese que recurrir a dicha teoría cuántica. Después de experimentos como la doble rendija, que fue repetido y mejorado durante la segunda mitad del siglo XX, se demostró la que la dualidad de la luz y de la materia, no tenía origen en la teoría utilizada como una herramienta de cálculo, sino que es característica esencial e intrínseca a la propia naturaleza.

Dualidad, significa simultaniedad de dos naturalezas excluyentes, significa que nuestro entendimiento y sentido común está basado en leyes que son solo aproximaciones probables de los principios básicos de existencia de las cosas. Estas aproximaciones son producto de aplicar la probabilidad de los fenómenos aislados a la totalidad de los sistemas complejos. Ejemplos de comportamientos fuera de nuestra lógica convencional serían los ejemplos del mundo cuántico, donde son más probables ciertos sucesos que consideramos imposibles. El suceso imposible, deja de tener una probabilidad nula en el mundo macroscopico, y quizás, en referencia a la teoría cuántica, le podríamos asignar una probabilidad despreciable. En cambio, en el mundo cuántico, ciertos sucesos que en el mundo macroscópico se consideran imposibles, tienen una probabilidad significativa. Ejemplos de ello son, la superposición de estados (que permite a una partícula estar en dos sitios a la vez), el efecto túnel (la mecánica cuántica predice que existe una probabilidad no nula de que una partícula atraviese una pared sin que posea la energía suficiente para ello) y la doble rendija (la propia observación de los fenómenos altera el estado en el que se encuentran).

Dibujar la naturaleza

Seguimos intentando entender los fracatales:



El vídeo muestra la creación de árboles a partir de la repetición sucesiva en diferentes escalas de un simple patrón inicial. Vemos que con la geometría fractal se entiende mejor el crecimiento de los árboles.

La Naturaleza Fractal.

Los fractales son elementos geométricos que se van repitiendo sucesivamente en las diferentes escalas y esta repetición es infinita. Estas geometrías se consideran de dimensión matemática no entera, así que los fractales existen entre dos mundos de dimensiones enteras.La propiedad fundametal y primera de los fractales, es la autosimilitud en las diferentes escalas, de lo que derivan el resto de propiedades, Históricamente, la naturaleza se ha intentado describir en función de figuras regulares, líneas rectas y círculos perfectos. Esta forma de mirar la naturaleza nos ha proporcionado instrumentos para su descripción, pero la mayoria de las cosas que hay en el entorno, no responden a estos modelos regulares. Durante siglos hemos dado la espalda a las rugosidades, no tomándolas en cuenta porque no nos parecía fundamental su esencia. Las protuberancias e irregularidas han sido hasta estos últimos años, imperfecciones de lo ideal. Sin embargo, la naturaleza es rugosa y hemos encontrado una forma de medir y simular estar irregularidades utilizando esta nueva geometría de fractales. Un mundo caótico de irregularidades y ramificaciones que aparentemente no ofrece ninguna manera de entenderlo y reproducirlo,nos ha revelado ciertos patrones que se esconden dentro del caos, los fractales. Ejemplos de ellos son las ramas de un árbol, el copo de nieve, el aparato circulatorio de los humanos, la topología de la costa de Gran Bretaña con sus fiordos, etc...Próximamente hablaremos más de ellos.

The Nest That Sailed The Sky from Glenn Marshall on Vimeo.

El colador de sonidos de Koenig.

Este aparato cuya imagen se presenta a continuación fue inventado por Rudolph Koenig (1832-1901), físico, acústico e inventor de instrumentos musicales:

Fundamentalmente es un aparato que hace un análisis de Fourier de frecuencias del sonido compuesto que le llega. Al llegar un sonido compuesto por varias frecuencias al aparato, éste "cuela" mecánicamente el sonido por medio de tubos de diferente diámetro, pudiendo observar las frecuencias que componen el sonido. Para colar el sonido utiliza las propiedades ondulatorias del sonido. La onda sonora al atravesar un tubo puede amplificarse o reducir su amplitud (volumen) al atravesarlo. Que se amplifique o se reduzca depende de la frecuencia del sonido y del diámetro del tubo. Cuanto más grave es el sonido, de mayor diámetro debe ser el tubo para su amplificación. Koenig seleccionó distintos diámetros de los tubos y cuando el sonido compuesto por muchas frecuencias se dirigiese al la parte frontal del analizador (la parte opuesta a la que se ve la foto), cada sonido de distinta frecuencia amplificaría en uno sólo de los tubos y en los demás se atenuaría. Para saber las frecuencias que componen el sonido tan sólo tenía que saber por qué tubos había conseguido atravesar el sonido con mayor facilidad. Para ello, encendió una vela detrás de cada tubo esperando poder observar la llama que se movía. Eso quería decir que el sonido había pasado por el tubo al que le correspondía esa llama. Sin embargo los efectos no eran visibles hasta que colocó un espejo giratorio y vio la imagen reflejada de las llamas. Cuando se daba vueltas al espejo, las llamas que no se movían aparecían reflejadas como líneas, y las llamas que se estaban perturbando por el sonido mostraban intermitencias e irregularidades, por lo que el aparato conseguía analizar las frecuencias de un sonido compuesto. Con las relaciones matemáticas entre los diámetros de los tubos y frecuencias hacía un cálculo de las frecuencias que componían el sonido.

Obsesión por los cubos

Hay de todo en la vida, como gente obsesionada con los cubos:

One Perfect Cube from Florian Jenett on Vimeo.

Obra de Florian Jenett, más información en http://florianjenett.de/one-perfect-cube-making-of/
Tres relojes de aguja sincronizados cada 12 horas forman un cubo perfecto durante un segundo representado en dos dimensiones. Es una pena que en el vídeo no se aprecie bien tal efecto, pero la idea está graciosa.




¡Cosas de la perspectiva!

Supernova

Las estrellas son objetos celestes muy masivos y por ello, debido al efecto gravitatorio tienden a colapsarse sobre sí mismas. Este intento de colapso provoca que en el núcleo existan grandes presiones y muy altas temperaturas favoreciendo las reacciones nucleares de explosión hacia el exterior, que compensan el efecto gravitatorio otorgando estabilidad a la estrella. Cuando los elementos del núcleo que intervienen en las reacciones se acaban, la estrella se colapsa y finalmente explota. Si la estrella fue lo suficientemente masiva, a este acontecimiento se le llama Supernova:

Supernova from Glenn Marshall on Vimeo.

Vídeo y gráficos creados por Glenn Marshall (http://glennmarshall.wordpress.com/) inpirándose en imágenes de Supernovas observadas por medio del telescopio Hubble.

La Supernova, está compuesta por gases y elementos pesados creados en las estrellas que se esparcen por el universo durante millones de años. Esos elementos pueden servir para la formación de nuevos sistemas planetarios como el nuestro. Si el sistema solar fue creado a partir polvo de estrellas, en consecuencia, los elementos de los que estamos formados los seres vivos, también lo fueron. Estamos hechos del mismo tipo de materia que las estrellas, generadoras de los elementos químicos, estamos inmersos en el eterno ciclo de creación y destrucción. Observar una Supernova, es observar materia esparcida utilizada para la próxima creación.