Ya, en serio, ¿Qué es la Luz?

Summary

El script explora la naturaleza dual de la luz, describiendo su comportamiento como onda y partícula. Comienza con la teoría de Newton, quien consideraba que la luz estaba compuesta de partículas, y la explicación de los colores como partículas de diferente masa. Sin embargo, experimentos como el de la difracción a través de un orificio y la Doble Rendija de Young mostraron un comportamiento ondulatorio de la luz. La conexión entre los campos eléctrico y magnético, descrita por Faraday y Maxwell, llevó a la comprensión de la luz como una onda en el campo electromagnético. La física cuántica introdujo una nueva dimensión, sugiriendo que la luz está compuesta de partículas indivisibles conocidas como fotónes. La mecánica cuántica resuelve la aparente contradicción de la luz como onda y partícula, y el script utiliza ejemplos como la difracción, la interferencia y el efecto Hanbury Brown y Twiss para ilustrar cómo la luz sigue las reglas cuánticas, lo que la hace exhibir comportamientos ondulatorios y partículas indistinguibles. Finalmente, se menciona la óptica cuántica y sus aplicaciones en la investigación, destacando el potencial de la luz en paquetes para la microscopía multifotónica y la interacción de la luz con la materia en cavidades para crear estados exóticos de luz y materia.

Takeaways

• 🌟 La luz es una de las entidades más enigmáticas del universo, con una naturaleza que ha sido objeto de debate durante siglos.
• 🎭 Newton propuso que la luz estaba compuesta de partículas, una visión que predominó hasta que se presentaron evidencias que sugieren un comportamiento ondulatorio.
• 🔍 Experimentos como el de la difracción a través de un orificio y la Doble Rendija de Young mostraron que la luz actúa como una onda.
• 🧲 Los físicos Faraday y Maxwell contribuyeron a la comprensión de la luz como una onda en el campo electromagnético.
• ✨ La naturaleza cuántica de la luz se descubrió cuando se observó que a bajas intensidades, la luz comienza a actuar de manera discontinua, sugiriendo la existencia de partículas individuales denominadas 'cuantos' o 'fotones'.
• ⚛️ La mecánica cuántica resuelve la aparente contradicción entre el comportamiento ondulatorio y partícula de la luz, mostrando que los objetos cuánticos pueden tener propiedades indeterminadas.
• 📐 La luz sigue una línea recta debido a que las trayectorias de los fotones que no son directas se cancelan entre sí de manera destructiva, mientras que las trayectorias centrales se amplifican de manera constructiva.
• 🚫 El efecto Hanbury Brown y Twiss demuestra que los fotones emitidos por una fuente caótica pueden estar correlacionados, lo que es fácil de explicar si consideramos a la luz como una onda.
• 🧬 La indistinguibilidad cuántica de las partículas elementales, como los fotones, es una característica fundamental que produce efectos como el Hanbury Brown y Twiss y es esencial para la naturaleza del láser.
• 🤔 La luz no se puede describir completamente como una onda o una partícula; su verdadera naturaleza es una combinación de ambos, donde las perturbaciones en el campo electromagnético siguen reglas cuánticas.
• 🔬 La óptica cuántica es un campo de investigación que estudia los efectos cuánticos en la luz, como el 'antiamontonamiento' de fotones, que tiene implicaciones para tecnologías avanzadas como la microscopía multifotónica.

Q & A

¿Por qué la luz ha sido considerada una de las entidades más enigmáticas del Universo?

La luz ha sido considerada enigmática debido a su naturaleza dual, que puede ser vista como una onda y también como un conjunto de partículas, lo que ha llevado a siglos de debate y comprensión en física.

¿Cuál fue la teoría de Newton sobre la naturaleza de la luz?

Isaac Newton sostuvo que la luz estaba compuesta por partículas, y que los diferentes colores de la luz eran resultado de partículas con distintas masas.

¿Cómo se puede explicar el concepto de difracción de la luz si se la considera como un conjunto de partículas?

La difracción de la luz es difícil de explicar si se considera como un conjunto de partículas. Sin embargo, es sencillo si se la considera como una onda que se esparce después de pasar por una abertura.

¿Qué experimento demuestra el comportamiento ondulatorio de la luz?

El experimento de la Doble Rendija de Young demuestra el comportamiento ondulatorio de la luz, donde un haz de luz pasando por dos rendijas produce múltiples franjas consecutivas en una pantalla, lo que indica la superposición y cancelación de ondas.

¿Cómo se relacionan los campos eléctrico y magnético?

Los campos eléctrico y magnético están interconectados. Un cambio en el campo eléctrico afecta el campo magnético a su alrededor y viceversa, lo que se conoce como la teoría de los campos electromagnéticos propuesta por Maxwell.

¿Por qué se dice que la luz es una onda en el campo electromagnético?

Se dice que la luz es una onda en el campo electromagnético porque la velocidad de propagación de las perturbaciones en el campo electromagnético, tal como lo calculó Maxwell, coincide con la velocidad de la luz.

¿Cómo se describe la naturaleza cuántica de la luz?

La naturaleza cuántica de la luz se describe con el concepto de foton, una partícula elemental que actúa como la "átomo" de la luz. A nivel cuántico, los fotones no tienen trayectorias definidas y su comportamiento es probabilístico, lo que se demuestra en experimentos de baja intensidad de luz.

¿Cómo se explica la dualidad onda-partícula de la luz en el marco de la mecánica cuántica?

En la mecánica cuántica, los objetos cuánticos, incluidos los fotones, no tienen propiedades definidas. Los fotones pueden seguir múltiples trayectorias simultáneamente, y su comportamiento ondulatorio emerge cuando se consideran las amplitudes de probabilidad de estas trayectorias.

¿Por qué la luz parece seguir una línea recta en la escala macroscópica?

La luz parece seguir una línea recta debido a que las trayectorias de los fotones que no son colineales se cancelan entre sí de manera destructiva, mientras que las trayectorias colineales se amplifican de manera constructiva, lo que resulta en una propagación aparentemente directa.

¿Cómo se relaciona el efecto Hanbury Brown y Twiss con la indistinguibilidad cuántica de las partículas?

El efecto Hanbury Brown y Twiss muestra que los fotones, al ser partículas indistinguibles, o bosones, tienden a llegar a los detectores simultáneamente. Esto se debe a que no se puede diferenciar entre los fotones individuales y su comportamiento es el resultado de sumar las amplitudes de probabilidad de todas las trayectorias posibles.

¿Cómo la óptica cuántica puede influir en tecnologías futuras, como la microscopio multifotónico?

La óptica cuántica puede llevar a la creación de nuevas formas de luz, como los paquetes de fotones emitidos en grupos, lo que podría ser útil en microscopio multifotónico para iluminar tejidos vivos sin dañarlos, mejorando la penetración y reduciendo el riesgo de daño a las células.

Outlines

00:00

🌌 La naturaleza dual de la luz

Este párrafo introduce la luz como una de las entidades más enigmáticas del universo, cuestionando si es una onda o un conjunto de partículas. Se menciona la visión de Newton, quien consideraba que la luz estaba compuesta por partículas, y se explora cómo los experimentos, como el de la difracción a través de un orificio y la Doble Rendija de Young, evidencian un comportamiento ondulatorio de la luz. Además, se aborda la conexión entre los campos eléctricos y magnéticos y cómo la teoría de Maxwell sugiere que la luz es una onda en el campo electromagnético.

05:01

🤔 La dualidad onda-partícula de la luz

Este párrafo aborda la paradoja de la luz siendo a la vez una onda y compuesta por partículas, conocidas como fotones. Se discute cómo la mecánica cuántica proporciona una explicación para esta dualidad, permitiendo que los fotones no tengan una trayectoria definida hasta que sean medidos. Se utiliza el concepto de Amplitudes de Probabilidad para calcular las posibilidades de que un fotón llegue a un detector, resaltando cómo las trayectorias centrales son las que realmente importan y explicando así por qué la luz sigue una línea recta y cómo se producen las interferencias en la Doble Rendija.

10:07

👥 La indistinguibilidad de los fotones y el efecto Hanbury Brown y Twiss

Este párrafo explora el efecto Hanbury Brown y Twiss, donde los fotones se correlacionan al llegar a los detectores, lo que no tendría sentido si consideramos que la luz es una simple emisión de partículas. Se ofrece una explicación sencilla si consideramos que la luz es una onda, y se profundiza en la indistinguibilidad cuántica de las partículas elementales, como los fotones, que son bosones indistinguibles. Esta indistinguibilidad es clave para entender por qué los fotones llegan a los detectores de manera correlacionada.

15:09

🤓 La luz como perturbaciones en el campo electromagnético

Este párrafo concluye que la luz no es simplemente una onda o una partícula, sino las perturbaciones que se propagan en el campo electromagnético cuántico. Estas perturbaciones, al ser masivas, obedecen reglas cuánticas y muestran un comportamiento ondulatorio cuando se agrupan en grandes números. Se menciona la óptica cuántica y cómo el estudio de la luz en este nivel puede llevar a nuevos descubrimientos y aplicaciones, como el 'antiamontonamiento' de fotones y la creación de luz compuesta por 'paquetes' de fotones, con posibles aplicaciones en la microscopía multifotónica.

20:12

🌟 Las aplicaciones de los comportamientos cuánticos de la luz

Este párrafo finaliza el script resaltando cómo los comportamientos cuánticos de la luz pueden ser útiles en la investigación biológica, aludiendo a la microscopía multifotónica y cómo el uso de luz compuesta por 'paquetes' de fotones podría ser más eficiente y menos dañino para tejidos vivos. Se cierra el script agradeciendo al público y promoviendo la curiosidad por la ciencia.

Keywords

💡Luz

La luz es una entidad fundamental en el universo y objeto central del video. Se define como una 'sustancia' que ha sido objeto de estudio durante siglos. En el video, se explora su naturaleza dual, como onda y partícula, y cómo esta dualidad es explicada por la física cuántica. La luz es esencial para entender conceptos como la difracción, la interferencia y la polarización, que son parte del núcleo temático del video.

💡Dualidad onda-partícula

La dualidad onda-partícula es un concepto clave en física que describe cómo la luz y los objetos a nivel cuántico pueden comportarse tanto como ondas como partículas. En el video, se discute cómo los experimentos sugieren que la luz actúa como una onda en ciertos contextos, como la difracción y la interferencia, y cómo también puede manifestarse como una serie de partículas discretas, conocidas como fotones, especialmente a bajas intensidades de luz.

💡Fotón

El fotón es una partícula elemental que actúa como mensajero de la luz. Se define como una 'partícula' de luz y es el constituyente más básico de la radiación electromagnética. En el video, se menciona cómo la luz se puede manifestar como una serie de fotones, lo que sugiere una naturaleza particulada, pero también se comporta como una onda en experimentos de interferencia y difracción.

💡Difracción

La difracción es un fenómeno que ocurre cuando una onda, como la luz, pasa alrededor de un obstáculo o a través de un opening. En el video, se utiliza el experimento de un orificio regulable para ilustrar cómo la luz se difiere y cómo este comportamiento es incompatible con la teoría de que la luz es simplemente un conjunto de partículas, sino que es más consistente con el modelo ondulatorio.

💡Interferencia

La interferencia es un efecto ondulatorio donde dos o más ondas se superponen para aumentar o disminuir la amplitud total de la onda resultante. En el video, se describe el experimento de la Doble Rendija de Young, donde la luz pasando por dos rendijas produce una serie de franjas en una pantalla, mostrando cómo las ondas de luz pueden interferirse para crear un patrón de bandas claras y oscuras.

💡Campo electromagnético

Un campo electromagnético es una región de espacio donde existen fuerzas electromagnéticas. En el video, se discute cómo los físicos como Faraday y Maxwell plantearon la existencia de campos eléctrico y magnético para explicar cómo las cargas y los imanes interactúan sin necesidad de un medio físico tangible. La luz se describe como una onda en el campo electromagnético, lo que proporciona una explicación unificadora para su comportamiento ondulatorio.

💡Mecánica cuántica

La mecánica cuántica es una rama de la física que trata los fenómenos a nivel atomico y subatomico. Se destaca en el video como la teoría que finalmente resuelve la aparente contradicción entre el comportamiento ondulatorio y particulado de la luz. La mecánica cuántica introduce conceptos como la indeterminación y la indistinguibilidad de las partículas, que son cruciales para entender la naturaleza fundamental de la luz.

💡Indistinguibilidad cuántica

La indistinguibilidad cuántica es un principio que afirma que no se puede distinguir entre partículas elementales idénticas. En el video, se utiliza para explicar el efecto Hanbury Brown y Twiss, donde los fotones emitidos de una fuente se detectan en correlación, lo que no tendría sentido si los fotones no fueran indistinguibles y si no se considerase su comportamiento ondulatorio en el contexto cuántico.

💡Efecto Hanbury Brown y Twiss

El efecto Hanbury Brown y Twiss es un fenómeno en el que los fotones se detectan en correlación, llegando a los detectores simultáneamente, a pesar de que provienen de una fuente de luz caótica. En el video, se discute cómo este efecto puede ser fácilmente explicado si se considera la luz como una onda, pero también se debe a la indistinguibilidad cuántica de los fotones.

💡Óptica cuántica

La óptica cuántica es una subdisciplina de la física que estudia los efectos cuánticos de la luz. En el video, se menciona como una área de investigación donde se exploran fenómenos inherentemente cuánticos en la luz, como el 'antiamontonamiento' de fotones y la creación de nuevas formas de luz, que tienen implicaciones para tecnologías avanzadas como la microscopía multifotónica.

💡Cavidades

Las 'cavidades' en el contexto del video son estructuras artificiales diseñadas para atrapar y manipular la luz. Se usan en la óptica cuántica para crear condiciones en las que la luz interactúa fuertemente con la materia, lo que puede dar lugar a estados exóticos de luz y materia. Estas estructuras pueden ser tan simples como dos espejos enfrentados o tan complejas como un cristal fotónico, y son esenciales para la generación de efectos cuánticos en la luz.

Highlights

La luz es una de las entidades más enigmáticas y fascinantes del universo, y su comprensión ha sido un viaje de idas y venidas entre la visión de onda y partícula.

Isaac Newton propuso que los rayos de luz están compuestos por partículas, una visión que se mantuvo hasta el siglo XVIII.

Christiaan Huygens, contemporáneo de Newton, planteó que la luz se comporta como una onda, lo que se confirmó con experimentos como el de la difracción a través de un orificio.

El experimento de la Doble Rendija de Young demuestra el comportamiento ondulatorio de la luz, con la formación de múltiples franjas debido a la interferencia.

Los físicos Faraday y Maxwell, al estudiar fenómenos eléctricos y magnéticos, plantearon la existencia de campos y descubrieron su conexión, lo que llevó a la teoría de las ondas electromagnéticas.

James Clerk Maxwell descubrió que las ondas electromagnéticas se propagan a la velocidad de la luz, lo que sugiere que la luz es una onda en el campo electromagnético.

El descubrimiento de la naturaleza cuántica de la luz introdujo un giro en la física, al observar que a bajas intensidades, la luz comienza a comportarse de manera discreta y similar a partículas.

El concepto de fotón, una partícula elemental de la luz, fue introducido para explicar el comportamiento cuántico de la luz, derivado del término 'cuantos'.

La mecánica cuántica resuelve la aparente contradicción de la luz siendo una onda y partículas, al permitir que las propiedades de las partículas cuánticas no estén definidas.

Los fotones pueden tomar múltiples trayectorias simultáneas, y la Amplitud de Probabilidad para cada trayectoria es crucial para entender su comportamiento.

La luz sigue una línea recta debido a que las trayectorias centrales de los fotones interfieren constructivamente, mientras que las más raras interfieren destructivamente.

El efecto Hanbury Brown y Twiss muestra que los fotones emitidos por una fuente caótica de luz pueden estar correlacionados, lo que es fácil de explicar si se considera a la luz como una onda.

La indistinguibilidad cuántica de las partículas elementales, como los electrones y los fotóns, es fundamental para entender fenómenos como el efecto Hanbury Brown y Twiss.

Los bosones, incluidos los fotóns, son partículas indistinguibles que pueden tener propiedades comunes y son clave en la naturaleza del láser.

La óptica cuántica es el estudio de los efectos inherentemente cuánticos en la luz, lo que puede llevar a nuevas tecnologías y aplicaciones.

Las 'cavidades' son estructuras artificiales que se utilizan para atrapar y manipular la luz, permitiendo la observación de comportamientos cuánticos en la luz.

Los investigadores del IFIMAC han demostrado teóricamente la creación de un nuevo tipo de luz compuesto por 'paquetes' de fotones, lo que podría tener aplicaciones en la microscopía multifotónica.

La luz, al ser vista desde su perspectiva más cuántica, continúa sorprendiendo a los investigadores con comportamientos que desafían la física clásica.

Transcripts

La luz es de las entidades más enigmáticas y fascinantes del Universo.

Una “sustancia” que ha costado muchos siglos entender, con idas y venidas: ¿es

la luz una onda o es un conjunto de partículas?

Hoy quiero enseñaros que la realidad es más complicada.

Agarraos porque empieza un viaje por la óptica, el electromagnetismo, y el extraño mundo

de la cuántica; al corazón de lo luminoso.

Así que no perdamos el tiempo…

Y empecemos por el sr.

Newton.

Newton después de jugar con sus prismas lo tenía claro: los rayos de luz estaban compuestos

por partículas.

Lo de “rayos”: el concepto de la luz como “algo que viaja en línea recta” se remonta

a los antiguos griegos, pero fue Alhazen el primero en darse cuenta de que los rayos de

luz emanan de los objetos brillantes, golpean los objetos a nuestro alrededor, se meten

en nuestros ojos y gracias a eso los vemos.

Para Newton, estos rayos eran realmente chorrazos de partículas.

Los colores también eran fáciles de explicar así: diferentes colores, diferentes partículas

con distinta masa.

El rojo tendría mucha masa y por eso el cristal no era capaz de torcer su trayectoria, mientras

que el violeta, más liviano, sí que cambiaría.

Esta visión de la luz se mantendría en pie durante casi un siglo porque…

bueno.

Cualquiera le chistaba a Newton.

Pero ya contemporáneos suyos, como Huygens, veían algún problema...

Os lo enseño.

Imaginad que tuvieramos un orificio que pudieramos regular de tamaño.

Apagamos las luces y enchufamos una linterna al orificio.

Pregunta: si hago el agujero más pequeño, ¿qué deberíamos ver al otro lado, proyectado

en la pared?

Si Newton tuviera razón, y la luz fuera un chorro de partículas, al hacer el hueco más

pequeño estarían pasando menos partículas por lo que la proyección debería ser pequeñita.

Sin embargo, a medida que uno empieza a hacer pequeña la abertura vemos como en cierto

punto se empieza a agrandar la proyección.

Explicar por qué pasa esto con partículas es un problemón, pero es sencillo si pensamos

en la luz como una onda.

Una onda que se está difractando; pasa por la abertura y después se esparce por el espacio.

Este es uno de muchos experimentos que se llevaron a cabo entre el siglo XVIII y el

siglo XIX y que dejaron claro que la luz tenía comportamiento de onda.

Otro clásico: la Doble Rendija de Young.

Pasa un haz de luz por dos rendijas y verás cómo, en vez de dos franjas en la pantalla,

encuentras un montón de franjas consecutivas.

Estamos viendo una onda sumándose en ciertas zonas y cancelándose en otras.

¿Pero una onda de qué?

Al igual que una ola es una onda en el agua del mar, ¿cuál es el medio en el que la

luz ondula?

Este problema fue resuelto por físicos trabajando en un campo totalmente diferente: el de los

fenómenos eléctricos y magnéticos.

Faraday y compañía tenían un problema similar: cargas e imanes se atraían y se repelían

sin la necesidad de tocarse, sin algo entre medias que transmitiera la fuerza.

Eso les hizo pensar que era necesario un hilo de comunicación, un medio.

Así es cómo plantean la existencia de los campos eléctrico y magnético.

Estudiando qué física debían obedecer estos campos, se dieron cuenta de que los dos estaban

conectados.

Si el campo eléctrico cambiaba en el tiempo eso perturbaba el campo magnético a su alrededor.

A su vez, si un campo magnético cambiaba en el tiempo, eso perturbaba el campo eléctrico

a su alrededor.

Si queréis saber la manera precisa en la que esto sucede, os recomendamos este vídeo

que hicimos.

Esta “influencia mutua” de los campos eléctrico y magnético, le dio a Maxwell

una idea brillante: si un cambio en el campo eléctrico genera un cambio en el magnético,

entonces esa variación debería generar un cambio en el campo eléctrico.

Y él, a su vez, debe responder con un cambio en el campo magnético.

Y como si de una reacción en cadena de tratara, una perturbación se propagaría en este tandem

electromagnético, igual que una ola en el mar.

El puntapié final fue que, cuando calculó la velocidad de esta perturbación, descubrió

que tenía la misma que la luz.

Se había encontrado que la luz era una onda en el campo electromagnético.

Ese era el medio que faltaba.

Teoría y experimentos se chocaron la mano y parecía que la naturaleza ondulatoria de

la luz estaba ya sellada…

...Hasta que la física dió un vuelco total.

Cómo se descubrió la naturaleza cuántica de la luz es una historia con muchas curvas

(os dejamos estos vídeos por si os interesa), pero la movida es que si uno baja lo suficiente

la intensidad de la luz, empieza a comportarse de forma rara.

Lo que uno esperaría con un detector es seguir captando esa tenue onda que le llega.

Pero lo cierto es que, si el detector es lo bastante preciso, en cierto punto comienza

a “chasquear”.

En vez de una señal continua, detecta saltos, como si objetos puntuales estuvieran activando

el detector Esto, con otras evidencias, nos lleva de nuevo

a Newton: es como si la luz tuviera un “átomo”, un constituyente irrompible: una partícula.

Al principio se llamaban “cuantos” (¡de ahí deriva la palabra cuántica!) aunque

con el tiempo acabó con el nombre de fotón, del griego phōs, luz.

Pero, espera, ¿cómo es posible que los experimentos clásicos nos digan que la luz es una onda

pero resulte que está formada por partículas?

¿no es esto contradictorio?

Se tuvo que esperar a tener la mecánica cuántica desarrollada para responder a esta pregunta.

Hemos hablado de las reglas cuánticas montones de veces en este canal, pero dejadme que me

repita.

Los objetos cuánticos no tienen porqué tener sus propiedades definidas.

Sin ir más lejos, los electrones que forman los enlaces de nuestras moléculas parecen

no estar en ningún lugar específico del espacio ni moverse a una velocidad concreta.

Son propiedades indeterminadas.

Bien, pues a los fotones les pasa lo mismo con la trayectoria que siguen.

Imaginad que tuviéramos un foco de luz y un detector.

La naturaleza cuántica nos dice que un fotón llegará al detector de montones de formas

a la vez, no solo en línea recta, sino también de otras totalmente estrambóticas.

Entonces, ¿por qué vemos rayos de luz y no toda esta mezcla?

Toca hacer un cálculo cuántico en vivo y en directo.

Atentos, veréis como cobra todo sentido.

Cada una de estas trayectorias tiene una flecha asociada, que llamamos una Amplitud de Probabilidad.

La flecha gira mientras el fotón recorre la trayectoria y tal como ha quedado al final

del viaje es la amplitud de probabilidad de la trayectoria.

Pregunta: ¿cuál es la probabilidad de que un fotón salga del foco y acabe en el detector?

La cuántica nos dice que, primer paso, sumemos las amplitudes; cojamos todas las flechas

y las pongamos una a una punta a punta, de modo que podamos trazar una línea desde la

primera flecha hasta la última.

Segundo paso, cogemos esa longitud y montamos un cuadrado con ella.

El área de ese cuadrado es la probabilidad que estamos buscando.

Este procedimiento es un poco “lol”; es normal no entender por qué seguimos estos

pasos.

Pero la cosa es que funciona.

Mirad: si os fijáis en los extremos de la suma de flechas están todas las amplitudes

de las trayectorias rarunas.

Como son todas diferentes, lo único que hace esta suma es dar círculos; el cachito de

longitud que crean va ser muy pequeño.

Va a aportar muy poco a la longitud total.

Quienes están poniendo realmente el grueso son las amplitudes del centro; al estar más

o menos alineadas suman un montón y son lo que hacen mayoritariamente que la probabilidad

sea no nula.

Es decir, son las responsables de que la luz se mueva de un sitio a otro.

Y ¿ cuales son esas trayectorias?

Estas.

El motivo por el que no vemos cosas raras cuando tenemos montones y montones de fotones

es porque las trayectorias locas se cancelan unas a otras, interfieren destructivamente,

mientras que las centrales se amplifican, interfieren constructivamente.

Esta es la explicación cuántica de por qué la luz sigue una línea recta.

Otro ejemplo: imagina que entre los detectores colocamos dos bloques opacos.

Ahora montones de trayectorias (y por tanto amplitudes) se han quedado fuera de la suma,

solo están permitidas las que pueden pasar por el agujero del medio.

Pongamos un segundo detector aquí.

¿Qué probabilidad hay de que se encienda?

Tracemos las trayectorias, saquemos sus amplitudes, juntémoslas y…

Vaya, hay flechas tan diferentes que el resultado es una probabilidad muy bajita.

Si tiro muchos fotones, pocos van a llegar y voy a tener un resultado oscuro.

Pero, ¿qué pasaría si acercara los bloques?

Ahora trayectorias que considerábamos no son posibles, por lo que tengo quitar sus

flechas de la suma.

Pero precisamente eso ha hecho que el círculo no esté tan cerrado, lo que hace que la probabilidad

haya crecido.

Si tiro ahora muchos fotones el detector va a detectar más luz que antes, solo por haber

acercado los bloques.

Esta es la explicación cuántica de que la luz difracte.

Solo una más: la doble rendija.

Aquí la cosa es un poco más sencilla, la luz solo tiene dos caminos para llegar a la

pantalla, el detector.

Ahora, dependiendo del punto que elijas los resultados van a ser distintos.

En el punto central los dos caminos son idénticos, por lo que ambas amplitudes van a estar perfectamente

alineadas y habrá una buena probabilidad de que los fotones acaben aquí.

Pero mientras nos vamos moviendo las cosas cambian, las flechas se desalinean y la probabilidad

baja.

Estas son las zonas oscuras del patrón.

Pero, claro, las flechas siguen girando y en cierto punto remontan, volviendo a alinearse

y subiendo la probabilidad.

Esta es la explicación cuántica del patrón de interferencia que produce la luz.

Richard Feynman se pasa todo un libro poniendo ejemplos de este tipo para convencerte de

que la luz no es una onda, es que las reglas detrás de la luz (con su rollo cíclico,

amplitudes que se suman, se anulan...) son las que son comportan como una onda.

La luz parece una onda en nuestra escala porque tenemos chorrocientos fotones revelando visualmente

su comportamiento cuántico.

No son los fotones los que hacen a la luz ondular, es realmente su naturaleza cuántica.

Newton estaría orgulloso.

Sin embargo, y a pesar de que esto deja las cosas medio claras, el debate no paró…

La nueva fuente de discordia fue este inocente experimento: una lámpara emite un haz de

luz.

Con una corriente eléctrica, se excitan los átomos de la lámpara para que emitan un

buen chorro de fotones, cada uno de su padre y de su madre.

El haz se divide en dos haciéndolo pasar por un divisor, y se lo lleva a dos detectores

diferentes, que podemos alejar y acercar lo que queramos.

Los colocamos de forma aleatoria, encendemos el bicho y empezamos a ver cómo llegan los

fotones.

El resultado es esperable: algunos fotones llegan a uno de los detectores y el resto

al otro.

Sin embargo, cuando los dos detectores están a la misma distancia del divisor, ocurre que

los “chasquidos” se sincronizan.

Casi siempre que llega un fotón a un detector, llega otro al otro detector.

¡Están correlacionados!

Y esto no tiene ningún sentido: los fotones provienen de una fuente caótica de luz, donde

cada fotón emitido no tiene nada que ver con el anterior.

No están coordinados de origen y sin embargo llegan a la vez.

Este es el efecto Hanbury Brown y Twiss.

Y lo irónico es que es sencillísimo de explicar pensando que la luz es una onda.

La lámpara emite una onda electromagnética, el divisor la rompe en dos ondas iguales y

los detectores reaccionan de igual manera a las subidas y bajadas de la onda.

De hecho, Hanbury Brown y Twiss habían usado este razonamiento con las ondas de radio para

mejorar técnicas astronómicas con mucho éxito.

Fue cuando lo llevaron al óptico y con pocos fotones, cuando la gente se quedó a cuadros.

A muchos les costó aceptarlo.

Sin haberlos preparado previamente, ¿por qué existe esta tendencia de los fotones

de llegar a la vez?

La respuesta estaba en otra cara cuántica de la luz.

Y es que unos de los grandes descubrimientos tardíos de la cuántica fue la indistinguibilidad

de las partículas elementales.

Imagina que tuvieras dos electrones y quisieras seguirles la pista haciéndoles fotos, mientras

ellos se mueven por el espacio.

El procedimiento parece simple en papel: solo tienes que etiquetarlos en cada foto.

Cuantas más rápidas tomes las fotos menos se habrá movido el electrón y más fácil

podrás seguir la ruta que llevan, teniéndolos así identificados en todo momento.

Sin embargo, lo que te encuentras es distinto: los electrones no parecen seguir ninguna trayectoria,

saltan de un lado a otro sin parar.

Piensas que puede ser porque no tomas fotos lo bastante rápido, pero lo vuelves a intentar

y ocurre lo mismo.

Ya no puedes seguirle la pista a los electrones ¿se habrán cruzado tal vez aquí?

¿Este será el 1 o el 2?

Estás sufriendo la naturaleza cuántica: entre cada foto sus posiciones están indefinidas,

y a cada vez que haces “click” les fuerzas a que se definan en un cierto lugar.

Pero en ese lapso de tiempo en el que los electrones están indeterminados sus identidades

también lo están.

No es que nosotros tengamos un problema averiguando dónde está el electrón 1 o el 2, es que

intrínsecamente no hay electrón 1 y 2.

Hay una realidad: que hay dos electrones.

Pero ninguno tiene identidad propia.

No tienen una historia detrás que los diferencia.

Es decir, que de forma fundamental son indistinguibles.

A los fotones les ocurre lo mismo.

De hecho, son un tipo concreto de partícula indistinguible que se llama bosón.

Esta particularidad es lo que produce el efecto Hanbury Brown y Twiss.

Pensemos en dos fotones que son emitidos por la lámpara.

¿Qué probabilidad hay de que los dos fotones lleguen a la vez?

Si pensáramos que diferenciar dos fotones es muy difícil, pero no hemos caído en esta

indistinguibilidad cuántica superprofunda, seguiríamos el hilo habitual:

El fotón 1 tiene sólo una trayectoria para llegar al detector de arriba (lo mismo para

el fotón 2).

Así que cogemos sus amplitudes, obtenemos las probabilidades y simplemente las multiplicamos:

la probabilidad de que pasen las dos cosas a la vez.

También podría pasar que el fotón 2 vaya a arriba y el fotón 1 abajo, por lo que haríamos

un cálculo similar.

La suma de las dos probabilidades es la probabilidad de que los dos fotones lleguen a la vez.

Pero es que estas partículas son indistinguibles a nivel fundamental.

No existe el fotón 1 y el fotón 2.

Lo que existen son dos fotones, con dos trayectorias para el detector de arriba y dos trayectorias

para el detector de abajo.

Solo hay que seguir las reglas: coge las amplitudes de las trayectorias que conectan los dos puntos

(¡en este caso dos!) y sumalas.

De esa suma obtén la probabilidad.

Como véis 4 veces superior que si las partículas hubieran sido indistinguibles.

Y al ser más probable es lo que observamos en los experimentos.

Una vez más la interferencia constructiva es lo que explica un fenómeno que parece

ondulatorio.

Y, de hecho, algo parecido es lo que hace que funcione un láser.

Cuando los excitados átomos del láser van a emitir un fotón, lo hacen con exactamente

las mismas propiedades que el resto de fotones que pululan cerca.

¿Por qué?

Por el mismo motivo que llegaban a la vez: porque las amplitudes de esas situaciones

físicas se suman y las hacen muchísimo más probables que otras.

Es la extraña naturaleza indistinguible de los fotones lo que hace que la luz monocromática

y casi perfecta del láser exista.

Partículas indistinguibles que siguen las ondulatorias reglas de la cuántica.

¿Eso es todo?

Dejadme una pincelada más.

Porque hablar en términos de onda o partícula es limitarse.

Ya hablamos de esto en el vídeo sobre la dualidad onda-partícula; estamos usando palabras

de nuestro mundo cotidiano para describir algo que no pueda ponerse en esos términos,

que sea más complejo.

Y me temo que este es el caso: ¿recordáis al campo electromagnético, que nos dejamos

olvidado allí atrás?

Bien, pues cuando los físicos lo obligaron a seguir las reglas cuántica, vieron que

las perturbaciones que se propagaban (podríamos decir unas ondas electromagnéticas pero cuánticas)

tenían el mismo comportamiento que uno esperaba de los fotones (que producirlos cueste una

cantidad exacta de energía, que un fotón a baja energía no interactúe con otro fotón...).

Este elemento es el que me faltaba: los fotones son la consecuencia de tratar al campo electromagnético

de forma cuántica.

Así que, ¿qué es la luz?

La luz son las perturbaciones que se propagan en el campo electromagnético (un campo cuántico).

Estas perturbaciones tienen todas las bondades de las partículas, salvo que tienen que obedecer

las reglas cuánticas.

Cuando muchísimos fotones se ponen juntos, esta naturaleza cuántica se ve evidente en

su comportamiento ondulatorio y todas las leyes clásicas del electromagnetismo surgen.

Pero, aunque hayamos resuelto el misterioso origen de la luz, quedan montones de aspectos

chulos por explorar.

El experimento de Hanbury Brown y Twiss nos enseñó una manera nueva de mirar a la luz

a través de sus correlaciones, y abrió la puerta a fenómenos que jamás podríamos

haber soñado en el mundo clásico.

El estudio de estos fenómenos inherentemente cuánticos en la luz se llama óptica cuántica,

y es una de las ramas de investigación en el IFIMAC.

Un ejemplo de uno de estos efectos con los que se deleitan los ópticos cuánticos es

el “antiamontonamiento” de fotones, un efecto opuesto al de Hanbury Brown y Twiss

que se puede observar en su mismo experimento.

Consiste en “tunear” a los fotones para que no quieran llegar juntos a los detectores.

Su demostración supuso la primera observación en la historia de fotones individuales, algo

que a los amantes de la computación y las comunicaciones cuánticas les interesa mucho.

Este es solo uno de los muchos ejemplos en los que la luz se comporta de maneras que

son totalmente imposibles desde el punto de vista clásico.

Para conseguir este tipo de comportamientos inherentemente cuánticos en la luz, se suelen

usar, primero, estructuras artificiales que permiten atrapar la luz.

Estas estructuras se llaman “cavidades”, y pueden ir de algo tan simple como dos espejos

enfrentados, a algo tan complicado como un cristal fotónico, estructuras periódicas

que encierran a la luz mediante interferencia.

Después se hace que esta luz interactúe fuertemente con la materia.

Dentro de estas cavidades se pueden colocar, por ejemplo, átomos individuales atrapados

con campos electromagnéticos, o puntos cuánticos, estructuras semiconductoras muy pequeñas

donde los electrones están tan confinados, que actúan como átomos artificiales.

Esta interacción da lugar a nuevos estados muy exóticos, mezclas de materia y luz.

Hace que la luz que al final se “escapa” de la cavidad, lo haga con propiedades cuánticas

muy extrañas, que se pueden desvelar como patrones de coincidencia inusuales en el experimento

de Hanbury Brown y Twiss.

Los investigadores tienen mucho campo para jugar aquí, cambiando propiedades como la

frecuencia de resonancia de las cavidades, la energía de transición de los átomos,

o la intensidad y el color de los láseres con los que pueden excitar todo el sistema.

Para daros un ejemplo: científicos del IFIMAC mostraron teóricamente cómo, utilizando

este tipo de trucos, uno puede crear un tipo de luz totalmente nueva…

Una luz compuesta por fotones agrupados en “paquetes”, es decir, emitidos únicamente

de 2 en 2, o de 3 en 3, etc, algo que llamaron un “empaquetador” de fotones.

Este nuevo tipo de luz podría tener aplicaciones interesantes en el campo de la microscopía

multifotónica.

Os cuento: quieres observar un tejido que está vivo.

El plan: introduces en ellos pequeñas partículas fluorescentes que absorben luz, y luego la

re-emitan a una frecuencia diferente.

Observando esta luz emitida, se puede reconstruir una imagen del tejido.

Problema: los fotones que hay que enviar para activar las partículas son demasiado energéticos,

podrían dañar el tejido que queremos ver.

Solución: no enviar un fotón muy energético, si no varios a medio gas.

Esto se hace en la microscopía multifotónica, se ilumina con luz de frecuencia más baja,

con la esperanza de que, de vez en cuanto, lleguen varios fotones a la vez, y puedan

excitar a la partícula de forma conjunta.

Menos daño y mayor penetración en el tejido.

Bien, pues con el “empaquetador” ya no tienes que esperar que esto suceda por casualidad:

los fotones siempre viajan juntos, lo que nos permitirá ser mucho más eficientes.

Los extraños comportamientos cuánticos al servicio de la investigación biológica.

En definitiva: la luz, sea una partícula o sea una onda, no para de dar sorpresas a

los investigadores, sobre todo cuando miramos a su cara más cuántica.

¡Esto es todo por hoy!

Nos vemos muy pronto con un poquito más de ciencia.

Y como siempre, muchísimas gracias por vernos.