Fotones: las partículas elementales más versátiles y útiles.

Cristal fotonico, vía Sciencephotolibrary
Mi primer contacto formal con la actividad científica, decisivo para mi vida, fue cuando cursaba la preparatoria. Me inscribí en un programa de la UNAM para asistir a un laboratorio de óptica aplicada durante dos meses del verano. Fue ahí donde conocí la actividad y parte de la vida de los físicos, pero también fue donde, por primera vez, contemple la luz de emisión fulgurante y verde del láser de Neodimio:YAG, los destellos rojizos del láser de Helio-Neon y la gama multicolor del láser de Argón. Por esta experiencia decidí dedícame profesionalmente a la óptica. De ese modo me di cuenta que los fotones, formadores de haces luminosos, son los corpúsculos que mejor se pueden manipular de toda la gran fauna de partículas elementales conocidas.

Hace más de 100 años, como humanidad, comenzamos a estudiar a las partículas que forman al universo, las que conocemos con el nombre genérico de partículas elementales. Hoy conocemos más de 20 clases diferentes de corpúsculos. De todas ellos son los fotones con los que más concientemente interaccionamos, más aprovechamos; profundizar en la naturaleza de la luz siempre desemboca en el mejor conocimiento del resto de las demás partículas constituyentes del universo.

¿Qué tienen de particular los fotones para fascinara a los filósofos, artistas y científicos? Libros y libros sobre el tema no dan una respuesta completa. Sin embargo, a titulo personal, podemos brindar esta respuesta breve de sus características.

Visibilidad: los fotones son las únicas partículas para las que el hombre está adaptado directamente. Gracias a nuestra vista podemos ver los fotones; además los podemos distinguir con gran precisión. Somos capaces de reconocer diferencias en la dirección de propagación de la luz en un centésimo de grado, lo cual es gran precisión. Por ejemplo, esto lo hacemos al observar los travesaños separados de una reja distante. Podemos distinguir diferencias en la longitud de onda del uno por ciento; hacemos esto cuando distinguimos entre una camisa roja de una anaranjada. Podemos percibir una gran variedad de direcciones y longitudes de onda simultáneamente, como cuando observamos un circo de tres pistas. Podemos soportar luz tan intensa que al ojo llegaren 1015 fotones por segundo; y aun podemos ver bastante bien cuando la luz es tan débil que sólo lleguen al ojo unos cuantos miles de fotones por segundo; por ejemplo, haces luminosos provenientes de una estrella distante. Podemos percibir hasta unas cuantas decenas de fotones, si el observador está acostumbrado a la oscuridad (para lo cual se requieren unos minutos) y todos los fotones llegan simultáneamente, y al mismo punto de la retina (pocos detectores cuentan con similar sensibilidad). El hombre cuenta con dos de estos detectores de fotones (los ojos) y en consecuencia puede captar impresiones estereoscópicas; es decir, que pueden reconocer la profundidad de los objetos. Estos detectores no requieren esfuerzo consiente para enfocarse o utilizarse, y normalmente sirven para toda la vida.

Detectar cualquier otra partícula elemental es más difícil. Se requieren instrumentos especiales, algunos de ellos muy costosos. Una cámara de niebla moderna para detectar y analizar piones puede costar hasta un millón de dólares. ¿Qué no daría un físico avocado en el campo de altas energías para realizar un análisis instantáneamente con sus ojos?

Facilidad de producción: los fotones se producen muy fácilmente. Al encender un cerrillo se producen millones de ellos. Un simple fuego, produce billones, un foco barato produce un flujo de fotones por meses. Este flujo puede interrumpirse o continuarse rápidamente sin dificultad. Incluso un láser, que representa la fuente de luz más pura: por emitir una longitud de onda muy definida (monocromaticidad), altamente direccional, muy intensa y donde los fotones son emitidos casi al mismo tiempo (coherencia), tales instrumentos los encontramos los baratos apuntadores láser, que cuestan menos de un dólar. Por otro lado, para producir partículas lamba, por ejemplo, un experimentador necesita de un equipo de millones de dólares.

Amplio intervalo de energías: pueden obtenerse fotones de cualquier energía casi desde cero electronvoltios (0 eV) hasta muchos billones de electronvoltios. Un fotón de luz verde tiene una energía de 2.3 eV; los fotones infrarrojos tienen una energía un poco menor y las señales de radio más comunes constan de fotones de energía de billones de veces menores. Los sincrotones de altas energías billones de veces menores. Los sincrotones de alta energía pueden producir partículas que, al chocar, emiten fotones billones de veces más energéticos que los fotones de luz verde.

Sin embargo, en la producción, por ejemplo, de piones, se obtiene por lo general un intervalo menor de energías. Hay una energía umbral (masa en reposo) de varios millones de electro-voltios que deben superarse y, por consiguiente, una producción adecuada de haces de piones de muy baja energía es difícil obtener.

Facilidad de manipulación: los fotones se reflejan en una hoja de aluminio, se refractan en trozos en cuñas de vidrio, o en un trozo de hielo. Pueden seleccionarse distintas energías con ayuda de trozos de celofan coloreados. Las proveedoras de laboratorios proporcionan por 50 dólares, o menos, una variedad de dispositivos que sirven para docenas de experimentos.

Para los muones, piones, protones, etc. no hay espejos o prismas prácticos. Simplemente para detener estas partículas pueden ser necesarios gruesos bloques de plomo. Para seleccionar distintas energías se necesitan electroimanes de varias toneladas de peso. Cada experimento requiere mucho tiempo y dinero.

Seguridad: los haces de luz son, por lo general, inofensivos. Al encender un fósforo no se necesita un aislamiento de plomo ni permiso del gobierno. Sin embargo, la luz proveniente de los láseres de alta potencia que instantáneamente puede dejar ciega a una persona. En contraste, Los laboratorios que producen piones, muones, etc. son lugares peligrosos. Deben tener cientos de toneladas de aislamiento de concreto y muchas otras medidas de seguridad.

Por todas estas razones los fotones siguen fascinando a los científicos. Ya sea que trabaje con radiotelescopios, detectores infrarrojos, luz visible, rayos X, o extraños tipos de partículas, siguen maravillándose de esta, la más simple y versátil de las partículas elementales.

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