Un punto azul pálido

Leyendo el último post de DO_0B en su reciente blog, me he acordado de este vídeo.
En el vídeo, Carl Sagan, a quien siempre he admirado profundamente, reflexiona sobre ese punto azul pálido que aparece en una de las últimas fotografías tomadas por la Voyager I. En aquel momento la sonda se encontraba a más de 6000 millones de kilómetros de casa.



Esta secuencia, como toda la obra de Sagan, tiene algo que resulta conmovedor. La forma que él tenía de ver el Universo siempre ha sido también la mía. Las razones que él tenía para amar la ciencia son también las mías. Coninua...

El cerebro escindido

La epilepsia es una enfermedad del sistema nervioso central que, en casos extremos, puede llegar a hacer la vida imposible al que la sufre. Aunque la causa de un ataque epiléptico parece no estar muy clara, se sabe que su efecto es un fallo general simultáneo en todo el cerebro. Para explicarlo, algunos neurólogos utilizan como símil cotidiano el acople que se produce en ocasiones entre un micrófono y un altavoz cuando el volumen es demasiado alto (efecto Larsen). Un pequeño sonido es recogido por el micrófono, amplificado y transmitido al altavoz. El micrófono captura de nuevo el sonido más fuerte que viene del altavoz, lo amplifica aún más, lo vuelve a transmitir, y así sucesivamente. En el caso de la epilepsia la perturbación que se transmite no es un sonido, sino impulsos nervisosos que viajan entre los dos hemisferios cerebrales a través del gran manojo de nervios que los une, llamado cuerpo calloso.

En algún momento alguien tuvo una feliz inspiración: Si las perturbaciones causantes de la epilepsia se transmiten por el cuerpo calloso, ¡cortémoslo! Después de todo, no parece que tenga ninguna función importante, sólo está ahí para comunicar entre sí las dos mitades del cerebro.


Este tipo de intervención es conocida como comisurotomía o callosotomía, y efectivamente, con ella se logra eliminar, o al menos reducir, los ataques epilépticos en enfermos graves. Contrariamente a lo que se pueda pensar, cortar un cerebro en dos no tiene un efecto demasiado dramático en su dueño. El individuo sigue con su vida habitual y se comporta de un modo normal. Bueno, casi. Los amigos y familiares no suelen notar nada extraño, pero el paciente se da cuenta de que algo no va del todo bien.

Cada hemisferio de nuestro cerebro procesa parte de la infomación que viene del resto de cuerpo y es capaz de controlar el movimiento de parte del cuerpo. Concretamente, el hemisferio derecho controla el lado izquierdo del cuerpo y procesa la información visual de la mitad izquierda de nuestro campo visual. Y viceversa. Pero los hemisferios no se reparten todos los trabajos de igual manera. Hay tareas que son realizadas principalmente por uno de ellos. Por ejemplo, el hemisferio izquierdo es generalmente el que controla el habla.

En los años 60 un psicólogo llamado Michael Gazzaniga comenzó a estudiar experimentalmente los efectos que tenían sobre los pacientes las operaciones de escisión cerebral. Los resultados fueron tremendamente curiosos, a la vez que muy útiles para aprender cómo funciona nuestra mente. Un experimento típico consistía en mostrar una imagen durante un instante a un paciente, pero únicamente en una de las mitades de su campo visual. Por ejemplo, si al paciente se le muestra la imagen de un tenedor en el lado izquierdo, sólo la ve el hemisferio derecho. Si al paciente se le preguna qué ha visto, no podrá decir nada, ya que es el hemisferio izquierdo el que controla el habla. Sin embargo, si se le manda dibujar lo que ha visto podrá hacerlo, pero sólo con la mano izquierda. La otra no sabrá qué dibujar.

Realmente, la mente de estas personas ha quedado dividida en dos. Son como dos mentes siamesas. Ambas comparten un mismo cuerpo, pero no siempre se ponen de acuerdo sobre lo que deben hacer. Se dan situaciones, por ejemplo, en las que un individuo está intentando bajarse el pantalón con una mano y subírselo con la otra. O está leyendo un libro y tiene que sentarse sobre su mano izquierda porque ésta no hace más que pasar las páginas antes de haberlas leído.

He encontrado un par de vídeos asombrosos sobre los experimentos de Gazzaniga. La mala noticia es que están en inglés y sin subtítulos. Pero incluso aunque no entiendas lo que dicen, creo que es fácil comprender lo que ocurre en cada experimento. Aquí va el primero.


El segundo es más antiguo, pero más explicativo. Es especialmente curioso el momento en el que uno de los sujetos intenta resolver un puzzle con cada mano por separado y después con las dos juntas.


Coninua...

Agua superenfriada

Después de un par de semanas sumamente interesantes de trabajo en el extranjero vuelvo a la vida cotidiana y a continuar añadiendo entradas en el blog. Todavía estoy perezoso, así que hoy toca entrada con poco texto y aprovechando material de Youtube.

He encontrado algunos vídeos que demuestran el comportamiento del agua superenfriada. El fenómeno se produce cuando logramos reducir la temperatura del agua por debajo de cero grados centígrados sin que ésta se congele. El agua superenfriada está en equilibrio inestable. Si añadimos un pequeño cristal de hielo el agua puede comenzar a congelarse repentinamente a su alrededor, utilizando la geometría ordenada del cristal como referencia (fenómeno que se conoce como nucleación). Una agitación o vibración también puede producir el mismo efecto. Por supuesto, el agua no es el único líquido que puede superenfriarse.





Como curiosidad, aquí va la explicación a un fenómeno que observamos habitualmente: En la alta atmósfera existen a menudo gotas de agua superenfriada. Al pasar un avión se producen grandes cambios de presión que hacen que estas gotas se conviertan en diminutos cristales de hielo. Esa es la razón por la que normalmente los aviones que vuelan a gran altura dejan una gran estela blanca tras de sí. Coninua...

Anillos de Niven y esferas de Dyson. Parte II

En la entrada anterior escribí acerca de una hipotética estructura artificial de tamaño colosal llamado anillo de Niven. Larry Niven ideó este tipo de construcción para su novela Mundo Anillo inspirándose en otra estructura aún mayor, imaginada por el genial físico teórico Freeman Dyson: la esfera de Dyson.

Una esfera de Dyson, como se puede uno imaginar si ha leído el post anterior, es una gigantesca esfera artificial cuyo radio sería del orden de una unidad astronómica y que rodearía a una estrella. El objetivo es aprovechar la mayor cantidad de energía de posible de la estrella central.

Dyson propuso su idea en un artículo titulado "Search for Artificial Stellar Sources of Infrared Radiation", en el que explicaba cómo una esfera de ese tipo podría ser algo a lo que toda civilización suficientemente dearrollada tendiese a largo plazo. La esfera que Dyson sugería no era una estructura sólida, como en el caso del anillo de Niven, sino un conjunto enormemente numeroso de elementos independientes. De esta forma no hay problemas con la estabilidad gravitatoria del sistema ni con la resistencia de los materiales utilizados. A pesar de ello la idea de una esfera sólida de semejante tamaño cautivó a algunos autores de ciencia-ficción, que no se dejaron amedrentar por las leyes físicas.

Una forma "realista" de construir una esfera es la llamada "enjambre de Dyson". En este caso los elementos, como los satélites artificiales alrededor de la Tierra, se mantendrían en órbitas individuales alrededor de la estrella. Un conjunto de ellos formaría un anillo circular, otro conjunto formaría otro anillo con un ángulo ligeramente diferente y así sucesivamente, hasta formar una esfera.


El gran problema del enjambre sería la coordinación de las construcciones para evitar choques y ocultaciones entre ellas. Además, cuantos más elementos existan en órbita, mayores serán las perturbaciones gravitatorias entre ellos, perturbaciones que tenderían a desbaratar todo el sistema de órbitas.

Otra forma de construir la esfera, y mi favorita, sería haciendo que cada elemento se sustenga por si mismo, manteniéndose en su posición de forma estática, sin orbitar en torno a la estrella. Esto podría hacerse aprovechando la presión de radiación.


Cada elemento sería una especie de velero con una gran superficie y una masa muy reducida. De este modo se podría lograr que la presión ejercida por la luz y el viento "solar" lo empujen hacia fuera con la misma intensidad con que la gravedad lo atrae hacia adentro. El empuje de la radiación es muy pequeño, por lo que la masa del velero por unidad de superficie tendría que ser muy pequeña, del orden de 0.78 g por metro cuadrado. No existe ningún material tan ligero, pero no parece haber ningún tipo de impedimento físico para lograrlo. Por ejemplo, se ha sugerido que podría ser posible la fabricación de mallas a base de nanotubos de carbono cuya densidad superficial sería menor a 0.1 g por metro cuadrado. Claro que no todo serían velas. Harían falta mástiles para soportarlas y dirigir la tensión, y sobretodo, habría que tener en cuenta la masa de la carga útil. Para sustentar un pequeño peso haría falta una enorme superficie de velas.

Una de las conclusiones a las que Freeman Dyson llegó fue que una esfera que englobe a una estrella, no importa cómo esté construida, reemitiría parte de la radiación absorbida en forma de infrarrojos. La radiación, además, presentaría el espectro de emisión de un cuerpo negro a una temperatura de unos 300 grados Kelvin. Es un resultado muy interesante, porque una esfera tan grande emitiendo en infrarrojos puede observarse desde muchos miles de años luz de distancia. Se han realizado y se siguen realizando investigaciones serias cuyo objetivo es localizar posibles esferas de Dyson.

Lo mejor de todo es que se han encontrado objetos cuyas características parecen corresponder con las esperadas para una esfera de Dyson. Sólo de pensar en las implicaciones de un resultado así hace que a uno se le pongan los pelos de punta, ¿no?. De todas formas no hay que dejarse llevar, ya que pueden existir explicaciones naturales para los fenómenos observados. Por ejemplo, una nebulosa oscura y densa rodeando una estrella podría emitir con una distribución de radiación infrarroja similar a la de una esfera de Dyson.
Coninua...

Anillos de Niven y esferas de Dyson. Parte I

En 1970 Larry Niven publica "Mundo anillo", una obra de ciencia ficción, ya convertida en clásico, que ha cautivado como pocas otras la imaginación de varias generaciones de lectores. En su libro Niven describe una estructura artificial de proporciones colosales, casi inimaginables, conocida ahora como "anillo de Niven".

Un anillo de Niven es el resultado de la desesperación de una raza extraterrestre con un enorme desarrollo tecnológico por aumentar su espacio vital, como consecuencia de la superpoblación que existía en su planeta natal. La idea es construir una estructura que abarque toda la órbita del planeta alrededor de su estrella. Un anillo con una cara plana, habitable, mirando hacia dentro y cuyo radio sería el idóneo para recibir la cantidad justa de energía de la estrella. La aceleración centrípeta producida por la rotación del anillo sustituiría a la aceleración gravitatoria.


Niven describe el anillo de su novela como un paraíso desde el punto de vista humano. Así, la estrella central es de tipo espectral G3 (el Sol es de tipo G2, muy parecido), el radio del anillo es de aproximadamente una unidad astronómica y la "fuerza de la gravedad" es 0.992 veces la terrestre. Unas enormes cordilleras de 1600 kilómetros de altura en los bordes del anillo retienen los gases de la atmósfera, evitando que se dispersen hacia el vacío del espacio. Además, los períodos de luz y oscuridad son producidos por otro anillo interior formado por placas separadas entre sí que proyectan su sombra en el anillo principal. La rotación diferencial de los dos anillos produce una secuencia periódica de intervalos de sombra y luz que actuaría como los días y las noches terrestres.

No es fácil hacerse una idea de las dimensiones de una estructura así. Está alejada en muchos órdenes de magnitud de las escalas a la que nos movemos las personas. Haciendo cálculos resulta que la circunferencia total sería de unos 970 millones de kilómetros. Eso son unos 54 minutos-luz. Las comunicaciones entre dos puntos opuestos del anillo serían realmente lentas. La superficie habitable del anillo, teniendo en cuenta la anchura de 1600000 Km descrita por Niven, sería de unos 3 millones de veces la de la Tierra. Suficiente para vivir cómodamente y sin apreturas, diría yo.

Pero aparte de las dificultades obvias de carácter práctico que acarrearía su construcción, resulta que un anillo de Niven no es una estructura físicamente posible, al menos según los conocimientos actuales. Para empezar, la tensión que debería soportar el material del que está construido el anillo sería del orden de la interacción nuclear fuerte, que es la que mantiene unidos los neutrones y protones dentro del núcleo de los átomos. No se conoce ningún material ni remotamente parecido, y no hay muchas posibilidades de que algún día se pueda conseguir. Por otro lado está el problema de la inestabilidad gravitatoria. El anillo, como hicieron saber algunos físicos del MIT (aunque no hace falta ser físico para calcularlo), no se mantendría en su posición por sí solo, ya que la tracción gravitatoria de la estrella central tiraría de él con la misma intensidad en cualquier dirección.

Es una lástima que una estructura así no pueda existir, pero eso no quiere decir que no podamos disfrutar imaginándola. Para eso están las novelas de ciencia-ficción. Además, nunca se sabe cuántas cosas nos quedan por descubrir. Como dice la tercera ley de Clarke: "cualquier tecnología suficientemente avanzada es indistinguible de la magia".

Y ya puestos a no reparar en las limitaciones de la tecnología actual, vamos a dar una vuelta de tuerca más. El anillo de Niven es una obra de ingeniería imponente, pero tiene un hermano mayor: la esfera de Dyson. Hablaré de ella en la siguiente entrada.
Coninua...

Luz polarizada III: Stress

En una entrada anterior he hablado sobre una característica particular de algunos materiales llamada birrefringencia, que hace que la luz que lo atraviesa se descomponga en dos haces polarizados perpendicularmente entre sí. He mencionado también un mineral llamado espato de Islandia que tiene esa propiedad. Es un ejemplo de material que posee birrefringencia intrínseca, ya que ésta se debe a la propia composición del cristal. Pero esa no es la única forma de que un material sea birrefringente. Existe también la birrefringencia por tensión (stress birefringence), que se produce en algunos materiales al ser sometidos a fuerzas externas que causan una deformación en ellos.


Existe una forma sencilla de observar este efecto. Para ello necesitamos una fuente de luz polarizada que proporcione un fondo blanco y un filtro polarizador, a través del cual observaremos. No parecen cosas sencillas de conseguir, pero lo son. Ya he comentado que un filtro polarizador puede obtenerse de un viejo display LCD (incluso el de un reloj digital de pulsera). También sirven unas gafas de sol polarizadas, o un filtro de fotografía. Incluso podemos comprar láminas de gran tamaño. La fuente de luz polarizada es aún más fácil de conseguir, ya que probablemente la tengas delante ahora mismo: un monitor LCD o TFT. Por su propio principio de funcionamiento, la luz que emerge de un monitor o un televisor LCD está fuertemente polarizada. Puedes comprobarlo girando un filtro polarizador frente a uno de ellos.


Ahora necesitamos algún material que posea la rara cualidad de ser birrefringente al ser sometido a deformación. Eso sí que suena más difícil de conseguir. Pues no. Nos sirve cualquier objeto de plástico transparente. Una botella de Coca-cola, una bolsa, el envase de 50 DVDs para grabar todo lo que bajas con eMule... vamos, casi cualquier cosa transparente que tengas a mano. Mirando hacia el monitor LCD a través del filtro polarizador y situando el objeto a observar entre ellos, puedes observar cómo aparecen zonas de colores en toda su superficie que indican el grado de deformación al que fue sometido el material.

La siguiente fotografía muestra las bandas de color que aparecen en un envase de polipropileno para almacenar CDs. ¿Que por qué sé que está hecho de polipropileno?. Pues por su código de identificación de material reciclable.


Este tipo de objetos son fabricados mediante moldes y a gran velocidad, lo que hace que durante el proceso queden sometidos a fuertes tensiones internas que quedan "congeladas" en el material a través de la orientación de sus moléculas. Eso produce anisotropías en la conducción de la luz, lo que da lugar a la birrefringencia. Un material con el que es muy fácil observar los efectos de la deformación es el film para envolver alimentos. En las siguientes imágenes vemos su aspecto antes y después de ser deformado. Tras la deformación aparecen nuevas zonas de color.


No sólo los materiales termoplásticos presentan birrefringencia por tensión. También los objetos de vidrio pueden "recordar" las deformaciones sufridas durante su fabricación. Aquí están mis gafas vistas a traves del polarizador:


Esta técnica es usada industrialmente para analizar y medir tensiones en objetos. Esto es sencillo si se sabe qué color corresponde a qué tensión. El gráfico de birrefringencia de Michel-Levy es muy útil para ello. Dado un material de espesor conocido, podemos obtener su birrefringencia (denotada como n1-n2, la diferencia entre sus dos índices de refracción) en función de la longitud de onda del color que veamos en cada punto de su superficie. El valor de la birrefringencia depende de la tensión a la que haya sido sometido el material.


Vemos que los colores que aparecen en el material son los del espectro luminoso, lo que indica que la birrefringencia, junto con la refracción o la difracción, es otro de los fenómenos que pueden producir la descomposición de la luz en sus longitudes de onda individuales. La explicación de por qué ocurre esto me la ahorraré, porque el post es ya demasiado largo. Quien tenga interés por llegar más al fondo del asunto puede encontrar una buena explicación en esta página. Siento que esté en inglés.
Coninua...

Teléfonos móviles y gasolineras

¿Puede un teléfono móvil producir una explosión en una gasolinera?. No hay evidencias de que se haya producido nunca, pero la posibilidad, aunque remota, existe. El siguiente vídeo muestra un experimento que cualquiera puede probar en su casa.

¿Por qué ocurre esto?. La radiación de microondas que emite un móvil durante una llamada induce tensiones y corrientes eléctricas en los materiales conductores que se encuentren cerca. Si las tensiones son lo suficientemente elevadas y el conductor tiene la forma adecuada, se podría producir en él una chispa que encienda el combustible. Una bola de papel de aluminio tiene muchos pliegues, de distintas formas y dimensiones, por lo que las posibilidades de que en uno de ellos se producta una chispa son mucho mayores que en otras piezas metálicas de geometría más sencilla. Coninua...

Luz polarizada II: Los vikingos y la piedra solar

"Un barco vikingo se retrasa en su vuelta a casa desde las tierras del lejano Oeste, recientemente descubiertas. El invierno está a la vuelta de la esquina y el tiempo pronto se hará desapacible. Es imprescindible que el timonel mantenga el rumbo hacia el Este. ¿Pero dónde exactamente está el hogar?. El cielo va nublándose más cada día que pasa. La mayor parte de las noches las estrellas no son visibles, e incluso durante el día el sol es difícil de contemplar. La luz del día dura poco y la mayor parte del tiempo el sol ilumina el cielo desde algún lugar por debajo del horizonte. Colgando de lo alto del mástil del barco, un marinero entorna los ojos buscando sin resultado pistas en el brillo de las nubes. Entonces, Leif el Afortunado señala un claro entre las nubes, rebusca en la bolsa que lleva a la cintura y saca su piedra solar. A través del cristal observa la pequeña mancha azul del cielo. Gira la piedra hasta que se torna amarilla y grita hacia el timonel con el brazo estirado apuntando hacia estribor, hacia casa."
Traducido de aquí.

Nadie sabe cómo los vikingos eran capaces de navegar durante días a través de mar abierto recorriendo tan grandes distancias, sobretodo teniendo en cuenta que no conocían la brújula. Una teoría dice que utilizaban un tipo de mineral, llamado piedra solar, que tenía unas curiosas propiedades ópticas. Algunas sagas, como la de Hrafns, parecen mencionar cómo dirigían uno de estos cristales hacia el cielo para orientarse, aunque no entran en mucho detalle al respecto. Actualmente se conocen algunos minerales con propiedades que podrían explicar esta teoría. La propiedad óptica clave se denomina birrefringencia.

Un material birrefringente es aquel en el que la luz refractada se desdobla en dos haces. El ejemplo más típico de mineral con esta propiedad es un tipo de calcita llamado espato de Islandia. En Wikipedia he encontrado esta imagen en la que se aprecia perfectamente el desdoblamiento de una imagen al atravesar uno de estos cristales.


Esta bifurcación del camino que sigue la luz en el interior del cristal se debe a que éste es anisótropo, es decir, algunas de sus propiedades varían dependiendo de la dirección espacial que se tenga en cuenta. En concreto, la velocidad de la luz al atravesar el material (que, a su vez, depende de una propiedad llamada constante dieléctrica) es diferente en cada uno de los ejes cristalográficos de éste. El ángulo en el que un haz de luz se refracta al penetrar o salir de un material depende de la diferencia que existe entre la velocidad de la luz en el material y en el entorno que lo rodea (el aire, en este caso). Esto es lo que hace que el rayo se desdoble en dos, uno "rápido" y otro "lento". Pero además, y aquí viene la parte más interesante, cada uno de estos rayos emerge del cristal polarizado con un ángulo diferente, formando 90 grados entre ellos.

Pero ¿qué tiene todo esto que ver con el asunto de los vikingos?. Pues mucho, porque resulta que el cielo está polarizado, debido a la forma en la que las moléculas de la atmósfera difunden la luz del sol. He hecho un par de fotografías para observar este efecto, la primera "normal" y la segunda con un filtro polarizador frente al objetivo de la cámara, orientado de forma que el cambio en la tonalidad del cielo sea máxima.


Se puede apreciar cómo aparece una zona en el cielo con tonalidad más oscura y con orientación vertical. En realidad, esta dirección depende de la orientación del sol. La zona polarizada forma un gran arco que corta la esfera celeste mediante un plano imaginario perpendicular a la línea que apunta desde el observador hacia el sol. Vamos, que si el sol está en el horizonte, el arco de luz polarizada pasa justo por encima de nuestra cabeza.


Además, el plano de polarización de la luz del cielo siempre es perpendicular a la dirección del sol. Un vikingo podría haber usado su piedra solar como filtro polarizador para buscar el ángulo de máxima polarización de esta franja, y de ahí averigurar la dirección del sol. Claro que para ello tendría que ser visible algún claro de cielo despejado, porque la polarización no es observable a través de las nubes. Y, aún así, lo único que obtendría sería la dirección en la que se encuentra el sol.

Aunque la leyenda de la piedra solar fuera cierta, hay que ser realmente muy buen navegante para regresar de Terranova a Islandia, con su ayuda o sin ella. Coninua...

Luz polarizada I: filtros polarizadores

Hace unos cuantos años se pusieron de moda unas pequeñas maquinitas electrónicas de juegos. Tenían una pantalla de cristal líquido donde aparecía una sencilla animacion realizada con unas pocas siluetas estáticas. Usaban el mismo método con el que un reloj digital de pulsera representa los diferentes números. Todos en el colegio teníamos al menos una.

Cuando tuve ocasión de desmontar una de esas máquinas encontré dentro de ella un par de láminas plásticas con unas propiedades asombrosas: filtros polarizadores. Ya sabía que las pantallas LCD los utilizaban porque lo había leído en mi adorado libro "Cómo funcionan las cosas", pero una cosa era conocerlos y otra muy diferente verlos. Son dos pequeños rectángulos de un plástico de aspecto parecido al acetato.


Ahora es cuando toca soltar un pequeño rollo físico no demasiado riguroso para explicar el trasfondo del asunto. Allá va:

Un haz de luz es un conjunto de ondas electromagnéticas, cada una de ellas de cierta fase y frecuencia. Las ondas electromagnéticas son un tipo de onda transversal, lo que quiere decir que la alteración periódica que producen en el medio por el que se propagan se realiza en una dirección perpendicular a la dirección de avance. Algo parecido a la onda que se produce cuando rasgamos con una púa la cuerda de una guitarra: cada punto de la cuerda comienza a moverse periódicamente en un plano perpendicular al ella. Para simplificar, imaginemos que la cuerda oscila únicamente en una dirección, es decir, que no va describiendo pequeñas elipses al vibrar, como realmente ocurre.

Ahora imaginemos que colocamos una pieza con una pequeña rendija, de forma que la cuerda pase por ella. Como se ve en siguiente dibujo, la onda podrá atravesar la rendija sólo si su plano de vibración está alineado con ella.


Los guitarristas me dirán que esto no es del todo cierto, y con razón. La rendija sólo frenaría ciertos armónicos, debido a que la vibración en las cuerdas está formada por ondas estacionarias. Lo sé, el ejemplo es sólo aproximado, pero sirve para hacerse una idea.

Pues bien, un filtro polarizador hace algo parecido con las ondas electromagnéticas. Sólo deja pasar aquellas cuyo plano de oscilación (llamado ahora plano de polarización) tenga cierta orientación. Si un haz de luz no polarizado (es decir, compuesto por ondas electromagnéticas sin un plano de polarización preferente) incide sobre una de sus caras, por la otra cara saldrá un haz polarizado, ya que las ondas con orientación errónea habrán sido absorbidas por el filtro. A esto se le llama polarización por absorción selectiva. Si enfrentamos dos filtros cuyas orientaciones coincidan, dejarán pasar cierta cantidad de luz a su través, pero si giramos uno de ellos 90 grados respecto al otro, bloquearán prácticamente toda la luz (como se veía en la fotografía de los filtros de arriba).

¿Para qué sirven los filtros polarizadores? Aparte de su utilización para fabricar pantallas LCD, como ya comenté antes, seguramente ya conoces algunas aplicaciones más: para hacer gafas de sol, eliminar reflejos en fotografías, producir sensación de relieve en películas, medir la concentración de sustancias químicas, identificar minerales, analizar tensiones en materiales, y muchas otras cosas. Se sabe, además, que algunos animales son sensibles a la polarización de la luz y utilizan esta capacidad para orientarse. En una entrada posterior explicaré algo más sobre ello.

Para terminar este post me centraré en una de las aplicaciones más conocidas, que es la eliminación de reflejos al realizar una fotografía. Y es que resulta que la luz reflejada en una superficie pulida queda parcialmente polarizada en la dirección de la reflexión. Hay un cierto ángulo, llamado ángulo de Brewster, en el que la polarización es máxima. Entonces, si acoplamos un filtro polarizador al objetivo de una cámara y orientamos este adecuadamente, podremos eliminar reflejos molestos.

Para mostrar este efecto he realizado dos fotografías a mi iPod, una sin filtro polarizador (izquierda) y otra con él. La reducción de los reflejos en el iPod y en la mesa (ambas superficies son paralelas) resulta evidente.


Dedicaré algunos posts a comentar algunas cosas curiosas que se pueden hacer con luz polarizada. Éste ya me ha quedado demasiado largo. Coninua...

Los colores de un CD parte IV: Un CD muy de cerca

En las entrada anteriores he comentado algunos de los efectos colaterales del hecho de que la superficie de un CD esté hecha de multitud de pequeños agujeros, o pits. Pero ¿pueden llegar a verse esos agujeros?.

Veamos. La anchura de los pits es de unos 500 nm, o media micra. Esto es, media milésima de milímetro. Recordemos que la longitud de onda de la luz verde, que está en el medio del espectro visible, es de precisamente de ese orden. Eso quiere decir que estaríamos cerca del límite teórico de lo que es observable con luz visible. No es que nuestros ojos, lupas o microscopios no tengan suficiente calidad como para ver cosas tan pequeñas, es que el mundo es borroso por debajo de ese límite. Intentémoslo de todos modos.

El poder de resolución del ojo humano está en torno a una décima de milímetro, así que está claro que habrá que aumentar la imagen un poco. Esto es, más o menos, lo máximo que podemos aspirar a ver a simple vista:


Probemos ahora con un microscopio. He utilizado un microscopio bastante decente que compré en Lidl (¡sí, ese Lidl!). Algún día escribiré una entrada acerca él, ya que es probablemente el microscopio con mejor relación calidad-precio que se puede conseguir. Para hacer las fotografías he montado mi nueva y flamante cámara Canon EOS 350D sobre un trípode, de forma que el objetivo apunte directamente al ocular del microsopio. Nada de foco primario ni montajes complejos. La luz proviene de una lámpara de mesa colocada sobre el CD, iluminando lateralmente. La lámpara es de bajo consumo para no calentar demasiado el CD y el microscopio (en cierta ocasión tuve una mala experiencia con una halógena). Es importante que la luz incida más o menos perpendicularmente a la dirección de las pistas, ya que en caso contrario apenas se pueden distinguir detalles.

Para empezar utilizo el objetivo de 4x y el ocular de 10x en el microscopio, lo que nos daría 40 aumentos. La cámara tiene el zoom al máximo, por lo que aumenta algo más la imagen.


Ya se puede ver un fino granulado. Esto me sorprendió, ya que observando con el ojo en el ocular apenas se podía distinguir nada. He apuntado el microscopio hacia una zona del disco que contiene detalles visibles para facilitar en enfoque.

Más trucos: la imagen es en blanco y negro porque me he quedado únicamente con el canal verde de la fotografía en color. Esto lo he hecho por dos razones. Por un lado, para evitar la aberración cromática que inevitablemente produce la óptica del microscopio, y por otro, porque en las cámaras digitales el canal verde proporciona una mejor calidad de imagen (mejor relación señal-ruido) que el rojo o el azul. También existe algo de aberración esférica, por lo que los bordes han sido recortados para mejorar el aspecto. Por último, he sacado la foto en formato raw y posteriormente he aumentado el contraste forzando un poco los niveles de gris, así se aprecian mejor las diferencias entre las pistas de datos y el metal liso.

Más aumentos. Ahora con el objetivo de 10x:


Ya se aprecia claramente el mar de pits y lands. Uno se da cuenta de lo realmente pequeños que son. Si pudiésemos desenrollar la pista espiral de un CD, abarcaría una longitud de unos 6 kilómetros. Casi nada.

Aumentando aún más, óptica y digitalmente, llegan a apreciarse perfectamente los pits y lands individuales:


Es lo máximo que se puede hacer con este microscopio, pero me atrevo a decir que es también prácticamente lo máximo que puede lograrse con cualquier microscopio óptico. Es cierto que podemos aumentar algo más la resolución si iluminamos con luz violeta o ultravioleta cercano, pero no mucho más.

Si queremos más detalle tendremos que utilizar otras técnicas, como la microscopía electrónica. La longitud de onda de los electrones acelerados es mucho menor que la de la luz visible, por lo que estos aparatos logran observar detalles miles de veces más pequeños. Como comparación, a continuación se puede ver una imagen de un CD tomada mediante un microscopio electrónico de barrido.



Todo lo anterior es cierto para un CD original fabricado por estampado, pero no para un CD grabable (CD-R), como los que usamos para grabar música en MP3. En este caso no hay pits ni lands, sino un único surco en espiral utilizado para guiar al láser durante la grabación. La siguiente imagen muestra un pequeño fragmento de un área ya grabada. Se pueden apreciar los "bits" de información como pequeños abultamientos en las líneas.


He intentado también fotografiar los pits de un DVD original, pero no he llegado a obtener más que un granulado informe. Realmente he llegado al límite de resolución del microscopio.

Por último y para hacerse una mejor idea de las dimensiones del asunto, aquí va un montaje con toda la secuencia de ampliaciones y sus escalas comparadas (pincha en ella para agrandar):




Con esta entrada finalizo esta serie de entradas acerca de la estructura de los discos ópticos. Eso no quiere decir que no se puedan hacer más cosas interesantes con ellos, pero prefiero introducir un poco de variedad al blog. Quizá más adelante. Coninua...

Los colores de un CD. Parte III: Descomponiendo la luz

Ya he hablado en las entradas anteriores sobre la forma en la que un CD descompone la luz visible desplegando su espectro de colores. Alguien observador puede darse cuenta además de que el "arco iris" que vemos en el reflejo de un CD no siempre es igual.

La siguiente fotografía muestra un CD-ROM iluminado por una bombilla incandescente.


Mientras que en esta otra fotografía vemos el mismo CD bajo una lámpara fluorescente compacta (la típica bombilla de bajo consumo):



Vemos que en el segundo caso el espectro parece estar "hecho a trozos", mientras que en el primer caso es continuo, con transiciones suaves entre un color y otro. Está claro que cada tipo de fuente luminosa produce un espectro diferente.

El ojo humano no puede apreciar muchas diferencias entre la luz emitida por una lámpara halógena, una bombilla incandescente o una fluorescente. Como mucho distinguirá variaciones en la llamada temperatura de color o en la intensidad luminosa. Esto se debe a que el ojo no es capaz de distinguir todos los colores de los que está compuesta la luz que le llega, ya que cada cono es sensible a un rango bastante amplio de longitudes de onda. Nos perdemos mucha de la información que transporta la luz.

Ocurre que cuando un objeto produce luz, no lo hace con igual intensidad en todas las longitudes de onda. Algunos objetos, como un metal incandescente, producen un espectro continuo según un modelo conocido como ley de Planck; otros, como un láser, producen únicamente luz de una longitud de onda determinada (mi puntero, por ejemplo, es de 532 nm) y no emiten nada de luz de otro color. Aún más interesante es el caso de otras sustancias, como los gases ionizados o plasmas, que producen luz en ciertas longitudes de onda muy concretas, dando lugar a lo que se conoce como bandas o líneas de emisión. Un espectro de este tipo se llama espectro de emisión.

Lo realmente interesante del asunto es que un espectro de emisión es una especie de huella dactilar de la sustancia que lo ha originado. En concreto, cada elemento de la tabla periódica produce su particular serie de líneas que lo diferencian de los demás. Esto es algo muy conveniente, ya que más del 99 por ciento de la materia observable es plasma. Es plasma el fuego, los relámpagos, las auroras boreales, las estrellas, las nebulosas de emisión y el interior de las lámparas fluorescentes.

Volvamos a los colores reflejados en un CD. Con una colocación de la cámara más cuidada he hecho varias fotografías, como la siguiente:


Se aprecian perfectamente las bandas de emisión, desde el rojo hasta casi el violeta. Por debajo del rojo se comienza a repetir de nuevo la secuencia debido a la existencia de varios órdenes de difracción, como comenté en la entrada anterior. Si hacemos que la fuente de luz pase por una ranura estrecha, que puede estar hecha con un trozo de cartón, podemos lograr una mayor resolución en las líneas. Tras unos minutos de edición con GIMP he conseguido un espectro bastante presentable:



Vuelvo a la imprescindible Wikipedia para obtener la gráfica del espectro de emisión de una lámpara fluorescente. En la siguiente imagen muestro una superposición de la curva espectral obtenida mediante un espectrómetro digno de ser llamado así y del espectro que he obtenido mediante un CD, un trozo de cartón y una cámara digital. Como ves, coinciden perfectamente.


Según Wikipedia, las líneas 1, 2 y 5 son las correspondientes al vapor de mercurio de la lámpara, mientras que las demás son debidas a las tierras raras, como terbio y europio, que forman parte de los fósforos que recubren el interior del tubo. ¿Y qué demonios hacen esas sustancias en mi lámpara?. Supongo que debería hablar un poco de ello, aunque no sea el tema principal de este texto.

Una lámpara fluorescente, compacta o no, funciona más o menos así: se hace pasar una corriente eléctrica por dos filamentos de tungsteno, uno colocado a cada extremo del tubo. La resistencia del filamento hace que éste se caliente. Además, entre los dos filamentos existe una diferencia de potencial. Esto hace que se produzca el llamado efecto Edison o termoiónico, gracias al cual aparece una corriente de electrones que circulan entre los filamentos, atravesando el gas inerte de baja presión que contiene el tubo (normalmente argon o xenon). Esta corriente hace que el gas se ionice, debido al impacto de los electrones sobre los átomos de éste. Al ionizarse, estos átomos liberan más electrones que se unen a los que partieron de los filamentos, lo que produce un aumento rápido de la corriente que circula por el gas (efecto avalancha). En el tubo, además del gas noble existe una pequeña cantidad de vapor de mercurio cuyos átomos, debido a lo que se les viene encima, empiezan a emitir luz ultravioleta. Esta luz es absorbida por el recubrimiento de distintas mezclas de fósforos que tiene el tubo en su interior y reemitida en forma de luz visible debido a una propiedad llamada fluorescencia. El vidrio del tubo, además, es opaco a la luz ultravioleta, gracias a lo cual no sufrimos desprendimiento de retina al mirar hacia una lámpara fluorescente. Por cierto, es curioso saber que los fósforos son sustancias que no tienen nada que ver con el fósforo. Ni siquiera el mecanismo de emisión de luz es parecido. Pero no voy a desviarme más del tema

El hecho de que aparezcan lineas de emisión del mercurio en el espectro visible se debe al llamado desplazamiento de Stokes, por el que la longitud de onda predominante de la luz absorbida por una sustancia fluorescente aparece también en la luz que ésta emite, pero desplazada a una longitud de onda más larga.

Bien. Todo este rollo para explicar por qué aparecen unas bandas de colores el los reflejos de un CD. Pero pensemos sobre ello: hemos observado las líneas espectrales producidas por la luz de un gas en estado de plasma al descomponerse en una rejilla de difracción. Esto es exactamente lo que hacen los astrofísicos para conocer la composición química, entre muchas otras cosas, de estrellas y nebulosas. Gracias a esas líneas conocemos las reacciones que se producen en las estrellas, podemos calcular la distancia de las galaxias más lejanas o conocemos la edad y el tamaño del Universo. No hay que menospreciar los pequeños detalles que observamos en la vida cotidiana. Coninua...

Los colores de un CD. Parte II: cómo medir la distancia entre pistas

Hace un tiempo mi novia me regaló un puntero láser verde. Ese tipo de punteros son utilizados por astrónomos aficionados (como un servidor) para apuntar y señalar objetos astronómicos. Debido a la dispersión de Rayleigh el haz láser verde es visible en el cielo y resulta muy espectacular, además de práctico. Es divertido apuntar con él a todo tipo de objetos y observar los efectos que produce la luz al reflejarse o dispersarse. Todavía recuerdo mi asombro cuando apunté con él a un CD. Sabía lo que debía ocurrir, pero una cosa es conocer la teoría y otra muy diferente contemplar sus efectos.

El láser, al incidir sobre la superficie reflectante del disco se difracta, dividiéndose en varios haces. En el caso de un CD de audio o de un CD-ROM, un láser de luz visible produce cinco haces diferentes al reflejarse.



Si colocamos el puntero perpendicular al plano del CD, como se muestra en el dibujo anterior, el reflejo principal, llamado de orden 0, sale también perpendicular, como ocurriría en un espejo "normal". Los haces de orden 1 o superior son parejas simétricas y salen con cierto ángulo respecto al principal. Dependiendo de la longitud de onda y la separación de las ranuras (las pistas del CD), los ángulos varían según la siguiente fórmula:

Donde lambda representa la longitud de onda del haz, alfa el ángulo del haz reflejado, d la distancia entre ranuras y m el orden del haz reflejado (0, 1, 2, etc).

Bien, pasemos a la acción. Vamos a intentar medir la distancia entre pistas de un CD (sí, ya sé que es una única pista en espiral, pero nos entendemos) usando un puntero láser. No hace falta que sea un puntero verde tan chulo como el mío. Puede ser uno de esos rojos de 3 euros que venden los chinos. Yo he montado el CD en el borde lateral de una mesa mediante dos trozos de cinta adhesiva y he utilizado un poco de plastilina para apoyar el puntero.


Si lo alineamos todo bien, podemos hacer que el láser pase al mismo nivel que la superficie de la mesa, de forma que veremos su luz. Otra forma de ver el haz sería utilizar humo o vapor, por ejemplo. Con un papel sobre la mesa podemos marcar la situación de los haces para después calcular los ángulos mediante trigonometría.


Yo he obtenido un ángulo de 21 grados para el reflejo de orden 1 y 45 grados para el de orden 2. La longitud de onda del láser suele venir indicada en una pegatina en el propio puntero. En mi caso es 532 nanómetros. Con estos datos obtengo una distancia entre pistas de 1.48 micras (1480 nanómetros) con el haz de orden 1 y de 1.50 micras con el de orden 1. Esta medida es aproximadamente 40 veces menor que el diámetro de un cabello humano y un poco más pequeña que una típica bacteria escherichia coli.

El resultado no está nada mal. Leyendo en Wikipedia podemos ver que el valor estándar es de 1.6 micras, pero rebuscando algo más por la web (por ejemplo aquí) averiguamos que existe una tolerancia permitida entre 1.5 y 1.7 micras. Un poco justos, pero podemos darlo por válido. Yo no he hecho más pruebas, pero refinando el método y midiendo diferentes discos seguramente podríamos llegar a un resultado más cercano a 1.6 micras.

Probemos ahora con un DVD. Estos tienen más capacidad gracias a una mayor densidad de información. El láser reflejado en un DVD tiene un aspecto tal que así:


Los haces difractados están más separados, hasta el punto de que sólo son visibles las reflexiones de orden 0 y 1. Haciendo los cálculos del mismo modo he llegado al resultado de 740 nm, aproximadamente la mitad que en el caso de CD. Sorprendentemente esa es exactamente la distancia habitual. ¡Prometo que no lo sabía antes de realizar las medidas! Coninua...

Los colores de un CD. Parte I

He decidido escribir entradas no demasiado largas, por ello cuando trate un tema largo como este, lo dividiré en varias partes. Soy consciente de que la gente no siempre tiene tiempo suficiente para leer blogs, y una entrada demasiado larga puede causar que los potenciales lectores huyan despavoridos. Espero que ésta no quede demasiado extensa. Vamos allá.

A estas alturas del siglo XXI doy por hecho que todo el mundo, o al menos todo el mundo que pueda estar leyendo esto, tiene una idea aproximada de cómo funciona un disco óptico (CD, CD-R, DVD, lo que sea). La idea será más o menos así: El disco tiene una superficie reflectante en la que existen unos pequeños agujeros distribuidos a lo largo de una larga pista en espiral. La información está codificada en la propia secuencia de agujeros y espacios (pits y lands). Para leer la información se enfoca un haz láser sobre la pista mientras el disco gira, y un sensor óptico recibe la luz reflejada. Los agujeros no reflejan y los espacios sí, por lo que se obtiene una señal digital que puede ser procesada y convertida en bytes de información.
La idea aproximada y muy simplificada del funcionamiento de un disco óptico es esa. Pero en esta serie de entradas no voy a hablar del funcionamiento de los CDs, sino de un efecto colateral de su construcción física: los colores tan monos que tienen.

Esos colores se forman debido a la propia estructura microscópica del disco: lineas reflectantes (los espacios entre pistas) separadas por líneas no tan reflectantes (las pistas). Para intentar explicarlo propongo el siguiente experimento mental. Podemos imaginar una "rejilla" formada por una lámina oscura y sobre ella largas tiras de espejo colocadas paralelamente unas a otras. A las habituales escalas humanas la rejilla se comporta frente a la luz como nuestra intuición nos sugiere. La luz se refleja en los espejos y es absorbida por los huecos, como vemos en el siguiente dibujo:


Pero si pudiésemos miniaturizarla poco a poco, llegaría una escala en el que empezarían a pasar cosas curiosas. Esa escala sería aquella en la que el ancho de las ranuras empieza a ser comparable con la longitud de onda de la luz que incide sobre ella (para simplificar, supondremos que utilizamos luz monocromática, es decir, de una única longitud de onda). Aquí es donde comienza a manifestarse el comportamiento ondulatorio de la luz. La luz ya no se refleja en los espejos siguiendo las leyes de la óptica geométrica, sino que cada espejo dispersa la luz en todas las direcciones de un plano vertical, convirtiéndose así en un nuevo foco de luz. Esto ya es más difícil de representar con un dibujo, pero yo me he sentido razonablemente satisfecho después de dibujar lo siguiente:


Las ondas de luz emergen de cada uno de los "micro-espejos" como las ondas que surgen al soltar una piedra en un estanque.
Y aquí viene lo interesante. Las ondas luminosas, como todas las ondas, producen fenómenos de interferencia. Esto quiere decir que cuando dos ondas están en fase se refuerzan, y cuando están en contrafase se cancelan, dándose también, por supuesto, todos los casos intermedios. Lo mismo ocurre si soltamos dos piedras cercanas en el estanque.
La luz reflejada por un espejo interfiere con la reflejada por los demás espejos. En la siguiente imagen, simplificada para mostrar únicamente el efecto de dos espejos, se puede ver claramente las zonas donde las ondas están en fase. El dibujo no es muy riguroso, pero sirve para hacerse una idea aproximada.


La interferencia entre las ondas hace que un haz de luz monocromática (una única longitud de onda) se vea dividido en varios haces al reflejarse. Los ángulos de estos haces dependen de la longitud de onda de la luz y de la distancia entre ranuras. Si acortásemos la longitud de onda podríamos ver cómo los ángulos se reducen. Si usamos luz no monocromática, cada longitud de onda contenida en ella (cada color) emergería de la rejilla con un ángulo diferente. El resultado es que la luz se descompone, de la misma manera que ocurre al pasar a través de un prisma. Estos efectos de dispersión y de interferencia de la luz al encontrarse con objetos muy pequeños son conocidos con el nombre genérico de difracción. De hecho, un CD es un ejemplo de rejilla de difracción, pues así se llaman ese tipo de rejillas microscópicas que descomponen la luz.

Las rejillas de difracción han tenido una relevancia enorme en la ciencia, ya que cuentan con grandes ventajas sobre los prismas al obtener el espectro de una fuente luminosa. Con ellas se fabrican espectrómetros, monocromadores y muchos otros dispositivos ópticos.

Bien, espero no haber aburrido demasiado con esta entrada, pero me parece importante explicar los princios de algo antes de empezar a jugar con ello. En las siguientes pretendo mostrar algunas cosas curiosas que se pueden hacer con un CD, así que manteneos hambrientos. Coninua...