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2015. Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz

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2015. Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz

Pep Vañó Piedra

Departamento de Física y Química / IES Andreu Sempere (Alcoi)

Logo Luz

El 20 de diciembre de 2013, la Organización de las Naciones Unidas (ONU), en su 68ª Asamblea Anual, proclamó 2015 como el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz.

El Año Internacional de la Luz pretende comunicar a la sociedad la importancia de la luz, y sus tecnologías asociadas, en el mundo actual en áreas tan importantes como la energía, la educación, la salud, la comunicación, etc.

La misión del portal http://www.luz2015.es/ constituido por el Comité Español para la celebración del Año Internacional de la Luz y gestionado por la Sociedad Española de Óptica es difundir todas las actividades y materiales que vayan apareciendo en conmemoración de este año.

Mediante dicha decisión la ONU reconoce la importancia que la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz tienen en la vida de los ciudadanos del mundo, en el desarrollo de la sociedad y en los retos a los que se enfrenta la Humanidad. La luz juega un papel fundamental en nuestra vida cotidiana. Ha revolucionado, entre otros aspectos, la medicina o la manera de fabricar productos y ha posibilitado el desarrollo de Internet.

Como introducción previa al Año Internacional de la Luz, hace sólo unos meses conocíamos la decisión de la Academia sueca de conceder el Premio Nobel de Física a los descubridores de los haces azules en semiconductores, que permitirían el desarrollo de la tecnología LED.

Asimismo, el Premio Nobel de Química 2014 galardonó a la microscopía de fluorescencia de alta resolución, una tecnología más conocida como “nanoscopio. Como vemos, la luz ha sido protagonista de algunos de los avances científicos más importantes de los últimos años.

Entre los sentidos que nos comunican con el mundo exterior, destaca la vista por la amplitud de información que nos proporciona simultáneamente. Los pensadores de todas las culturas han reflexionado desde antiguo sobre el fenómeno de la visión. Por una parte el órgano fisiológico ─los ojos─ y por otra, un ente externo que llamamos luz. Tan importante nos parece la luz que utilizamos adjetivos relacionados con ella (claro, luminoso, oscuro) para designar conceptos o comportamientos que nada tienen que ver con la visión. Esta admiración por la luz es antiquísima y se encuentra en todas las civilizaciones.

Durante siglos, la luz y sus aplicaciones han constituido un elemento de unión que trasciende todas las fronteras, no solo las geográficas sino también las de naturaleza cultural, de género o edad. La luz constituye, asimismo, un tema enormemente atractivo a la hora de motivar diferentes aspectos educacionales. En este sentido, el aumento de la conciencia mundial sobre la difusión y enseñanza de la ciencia, en particular la relativa a la luz y sus tecnologías, es esencial para abordar retos como el desarrollo sostenible y la mejora de la calidad de vida debido a su impacto directo en áreas como la energía, la agricultura, la salud o la educación.

Desde que Isaac Newton desarrollara sus investigaciones sobre la luz en el siglo XVII, muchas de las teorías científicas sobre este campo han cambiado radicalmente. El físico británico, por ejemplo, fue el primero en darse cuenta de que la luz blanca podía separarse en una banda de colores (rojo, naranja, amarillo, verde, cian, azul y violeta) mediante el uso de un prisma.

Su trabajo también fue pionero al describir la luz como un corpúsculo, aunque sus apreciaciones no fueran del todo correctas. Más adelante, gracias al trabajo de científicos como Max Planck o Albert Einstein supimos que la luz presenta una naturaleza dual, es decir, puede comportarse como una onda y como un corpúsculo.

El gran volumen de información que se ha acumulado sobre las ondas electromagnéticas (cómo se producen, propagan y absorben por ejemplo) ha posibilitado el mundo maravilloso de las comunicaciones que conocemos hoy en día

También las redes sociales, las videoconferencias o los smartphones de última generación son buenos ejemplos de aplicaciones prácticas de la luz en nuestra vida diaria. Desde los experimentos de Newton a los avances con los que hoy contamos, la luz y las investigaciones relacionadas han sido protagonistas clave. Para celebrarlo, qué mejor que hacerlo dedicando un año entero a su divulgación. Algunas estimaciones indican que la fotónica tendrá un impacto superior a los 600 mil millones de euros en 2020.

La era del fotón

Se considera que las tecnologías basadas en la luz revolucionarán el siglo XXI del mismo modo que la electrónica lo hizo en el siglo XX.

De hecho, esta revolución luminosa ya ha comenzado. ¿Quién se imagina vivir sin redes sociales, sin llamadas telefónicas de bajo coste o sin videoconferencias? Todas estas tecnologías están basadas en pulsos de luz ultracortos que transportan datos mediante minúsculas fibras ópticas del grosor de un cabello humano.

La medicina siempre ha encontrado un aliado en la luz. Los láseres que se usan en oftalmología, en dermatología y las técnicas de imagen de alta resolución en neurocirugía son algunos ejemplos de ello. En la actualidad, los científicos están desarrollando tecnologías basadas en la luz que permitan diagnósticos más precisos, más tempranos y con menos efectos secundarios de enfermedades, como la malaria y el cáncer.

El chip usa las propiedades de los fotones, las partículas de la luz, para diagnosticar los tumores. De momento, se ha empezado a aplicar al cáncer de mama. Más adelante, está previsto extenderla al cáncer de próstata y de hígado.

El premio Nobel de Física 2014 fue concedido a los inventores de una fuente de luz energéticamente eficiente y respetuosa con el ambiente: el diodo emisor de luz azul (LED). Un LED puede durar más de 100.000 horas, en comparación con las 1.000 de las bombillas tradicionales o las 10.000 de las luces fluorescentes. La fotónica también es clave para reducir nuestro consumo energético, las emisiones de carbono y preservar el medioambiente.

La luz está llamada a ser el motor de una nueva ola de innovaciones que aporten soluciones a retos globales sobre energía, educación, agricultura y salud. Así pues, dejen paso a la magia de la luz.

Los objetivos del Año Internacional de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz son:

  • Mejorar la comprensión pública de cómo la luz y sus tecnologías relacionadas afectan a la vida cotidiana y son esenciales para el futuro desarrollo de la Humanidad.
  • Desarrollar la capacidad educativa mediante actividades orientadas a la difusión de la cultura científica entre los jóvenes en todo el mundo.
  • Aumentar la cooperación internacional.
  • Difundir los descubrimientos de los siglos XIX y XX que han demostrado la importancia fundamental de la luz en la ciencia y el desarrollo científico.
  • Destacar la importancia de la investigación y fomentar vocaciones científicas en el ámbito de la luz y sus aplicaciones.
  • Promover la importancia de la tecnología de iluminación en el desarrollo sostenible y en la mejora de la calidad de vida en los países en vías de desarrollo.
  • Dar a conocer la profunda relación que existe entre la luz, el arte y la cultura, así como fortalecer el papel de las tecnologías ópticas en la preservación del patrimonio cultural.
  • Conseguir que los logros y objetivos anteriores perduren en el tiempo más allá de 2015.

La actividad del Instituto de Óptica del CSIC se enfoca en el estudio de la luz y su interacción con la materia y los seres vivos en áreas como la Óptica Fisiológica, el Procesado de Imágenes, la Metrología Óptica, la Interacción Láser-Materia, las Comunicaciones Ópticas, la Dinámica No-lineal en Sistemas Ópticos, la Nanofotónica o el Procesado de Materiales por Láser. El Instituto de Óptica se congratula con la decisión de la LXVIII Asamblea General de la ONU y se suma a las actividades de celebración del Año Internacional de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz.

Por este motivo, en el Instituto de Óptica han organizado diferentes actividades como Conferencias, Talleres y Actividades de divulgación en Colegios e Institutos que permitirán contribuir a alcanzar los objetivos anteriores y difundir la importancia de la luz y sus tecnologías en la Sociedad.

La luz desempeña una función central en las actividades humanas. Al nivel más fundamental, por medio de la fotosíntesis, la luz se encuentra en el origen de la vida misma y las numerosas aplicaciones de la luz han revolucionado la sociedad a través de la medicina, las comunicaciones, el ocio, el arte y la cultura. Las industrias basadas en la luz son importantes motores económicos y las tecnologías basadas en la luz satisfacen directamente las necesidades de la humanidad pues dan acceso a la información, permiten preservar el patrimonio cultural, promueven el desarrollo sostenible y aumentan la salud y el bienestar sociales. Las tecnologías basadas en la luz aportan cada vez más soluciones a los problemas mundiales, entre otros campos en los de la energía, la educación, la agricultura y la salud de las comunidades.

Las aplicaciones de las tecnologías basadas en la luz mejoran la calidad de la vida en el mundo en desarrollo y son elementos clave para alcanzar los Objetivos de Desarrollo del Milenio y sobrepasarlos.

Al convertirse en una disciplina transversal clave de la ciencia y la ingeniería en el siglo XXI, es esencial que cada uno aprecie plenamente la importancia del estudio científico de la física de la luz y la aplicación de las tecnologías basadas en la luz para el desarrollo sostenible mundial.

Es vital que las mentes jóvenes más brillantes sigan sintiéndose atraídas por las carreras científicas y de ingeniería en ese ámbito. Es asimismo importante seguir reforzando las capacidades educativas a escala mundial por medio de actividades centradas en la ciencia y la ingeniería destinadas a los jóvenes de ambos sexos, resolviendo los problemas vinculados con la igualdad de género y, sobre todo, atribuyendo especial importancia a los países en desarrollo y las economías emergentes, especialmente en África.

En 2015 se conmemorará una notable serie de hitos en la historia de la ciencia de la luz que se remontan a 1000, 200, 150, 100 y 50 años.

 

Fresnel

En 1815, en Francia Fresnel expuso la teoría del carácter ondulatorio de la luz. La gloria de aportar las pruebas definitivas en favor de la teoría ondulatoria de la luz corresponde sin duda al enfermizo ingeniero Augustin-Jean Fresnel (1788-1827). Inventó nuevos artificios (biprisma y doble espejo) para estudiar las interferencias en sustitución de la doble rendija de Young; con ello quedó probado que se producen franjas de interferencia siempre que la luz procedente de una fuente puntual llegue a una pantalla por dos caminos diferentes de modo que en unos puntos de la pantalla los caminos difieren en un número entero de longitudes de onda y en otros no. La condición de que la luz proceda de una fuente es esencial para la observación del fenómeno. Si se superponen luces que provengan de fuentes distintas, las interferencias no se observan porque las luces son incoherentes.

Fresnel2

El biprisma de Fresnel consiste en un dispositivo como el que se muestra en la figura. El ángulo   es muy pequeño. Sí colocamos una fuente de luz a distancia ` del prisma, se puede demostrar que un observador situado al otro lado del prisma (a su derecha según la figura) verá dos fuentes de luz (coherentes entre sí) correspondientes a las imágenes geométricas de la fuente de luz a través del biprisma. La coherencia está asegurada en este caso porque los dos haces provienen de la misma fuente.

Fresnel3

El doble espejo de Fresnel está formado por dos espejos planos, que forman entre si un ángulo muy pequeño α, y una fuente puntual. Un rayo de luz de una fuente puntual S (que puede ser por ejemplo un pequeño orificio en una pantalla iluminada con luz amarilla de un arco de sodio) es reflejada por dos espejos planos cuyos planos forman un ángulo muy pequeño. En la región del espacio en la que los dos rayos se encuentran, aparecen fenómenos de interferencia y aparecen una serie de bandas claras y obscuras igualmente espaciadas en una pantalla difusora paralela a la intersección de los espejos.

En 1865, en Inglaterra Maxwell describió la teoría electromagnética de la luz. La formulación matemática precisa de todos los fenómenos electromagnéticos fue un objetivo permanente durante muchos años. Los autores alemanes (Gauss, Weber, Newman,etc.) interpretaron los citados fenómenos en términos de acción a distancia (Fernwirkung) siguiendo las ideas de Coulomb, Ampère y en último término Newton. Los últimos representantes formularon con éxito los efectos de retardo pero sus trabajos están casi olvidados porque por los mismos años apareció la gran síntesis de James Clark Maxwell(1831-1879) claramente superior.

La toería de Maxwell quedó plasmada en su célebre tratado A treatise on electricity and magnetism (1873) en el que se propuso formular matemáticamente las ideas intuitivas de Faraday. Según ellas el campo es la sede de los fenómenos electromagnéticos y el éxito de Maxwell supuso la victoria de la acción próxima (Nahwirkung en terminología alemana) sobre la acción a distancia.

Maxwell

James Clark Maxwell (1831-1879)

Formula

Estas ecuaciones no se limitan a formular los hechos experimentales conocidos antes de Maxwell porque este añadió dos novedades: la corriente de desplazamiento y una reinterpretación de la ley de inducción en el espíritu de Faraday. Ambas innovaciones resultaron acertadísimas.

En 1915, en Alemania Einstein desarrolló la Relatividad General que confirmó el papel central de la luz en el espacio y en el tiempo.

En 1965, en los Estados Unidos Penzias y Wilson descubrieron el fondo cósmico de microondas, eco de la creación del universo.

En 2015 se cumplirán 1000 años desde que se publicaran los grandes trabajos de Ibn al-Haytham (Alhazen) sobre la óptica, en la Edad de Oro islámica.

     La conmemoración de esos hitos en 2015 constituirá una formidable oportunidad para llevar a cabo actividades educativas y de fortalecimiento de capacidades en todo el mundo, especialmente en África.

Pero, ¿por qué dedicar un año a la luz? Lo explica a OpenMind el presidente del Comité Internacional del IYL2015 y de la Sociedad Europea de Física, John Dudley: El objetivo del IYL es crear conciencia entre el público y las autoridades de que la ciencia y la tecnología de la luz sostienen sus vidas de muchas formas que no se aprecian, y que proporcionan soluciones reales a muchos retos globales.

Dudley es también el padre de la idea del IYL2015, propuesta por primera vez en 2009 y que fue recabando apoyos de organismos científicos hasta lograr en 2013 que la Unesco cosechara el respaldo del pleno de la Asamblea general de la ONU. Dudley aclara que el apoyo de Naciones Unidas no es una mera formalidad. “Nada más lejos de la verdad”, aclara el físico neozelandés afincado en Francia. “Conseguir un apoyo político de tan alto nivel requirió un trabajo muy duro de muchas personas y el desarrollo de argumentos defendiendo la propuesta a todos los niveles: de la ciencia a la sociedad, la economía, el desarrollo y más”.

Haythan

Alhazen

En el ejemplar de enero de Physics World se representa una imaginativa historia del periodo de 10 años en la vida del sabio musulmán medieval, escrita por la escritora científica de Los Ángeles Jennifer Ouellette. 

La historia cubre la época en la que al-Haytham – desterrado de la sociedad y privado de sus libros – apareció con sus revolucionarias teorías sobre la forma y paso de la luz. 

La elección de 2015 no es casual. Este año coinciden varios aniversarios relacionados con las ciencias de la luz, empezando por un milenio, el del matemático y astrónomo árabe Ibn Al-Haytham o Alhacén (c.965-1039), pionero de la óptica y del método científico, cuyo trabajo será conmemorado en la campaña global 1001 Invenciones y el Mundo de Ibn Al-Haytham.

La distinción clara y definitiva entre la luz como ente físico y el proceso de la visión fue obra de Ibn Al-Haytham, conocido como Alhazen entre los latinos. Su tratado de óptica (la traducción latina de Kitab al-manazir es de 1200 mientras que la obra fue impresa por primera vez en 1572 con el título de Opticae Thesaurus Alhazeni, libri septem) presenta la primera versión moderna de los fenómenos luminosos. Todos los puntos de los cuerpos luminosos o iluminados emiten luz en todas las direcciones y la visión de cada punto se produce porque un cono de rayos procedente de ese punto incide sobre el ojo. Alhazen opina que la visión se produce en el cristalino del ojo y en eso yerra pero acierta en lo que sucede fuera del ojo. Explica bien la reflexión y la refracción de los rayos luminosos y aplica acertadamente sus conocimientos al estudio de los espejos esféricos y parabólicos. También describe acertadamente la cámara obscura.

Haythan2

Visión de acuerdo con Alhazen

El IYL2015 recibirá el pistoletazo de salida en una ceremonia de inauguración de carácter científico que se celebrará el 19 y 20 de enero en la sede de la Unesco en París. En este acto se destacarán las tecnologías que, en palabras de Dudley, “empujan los límites de la ciencia óptica: una nueva generación de láseres ultrarrápidos de alta potencia (luz extrema), fuentes de luz sincrotrón en áreas como la farmacología, el desarrollo de la tecnología cuántica en áreas como las ciencias de la información, o la aplicación de técnicas ópticas en biología (biofotónica) destinadas a avanzar en la imagen del cerebro”. “Estas son áreas que ya han sido objeto de extensa investigación, pero en las que pienso que probablemente veremos grandes avances en breve”, valora el físico.

 

Algunos Enlaces
Blog oficial IYL 2015: http://light2015blog.org/

Sitio oficial de España – IYL 2015: http://www.luz2015.es/

EPS, European Physical Society – IYL 2015: www.eps.org/light2015

OSA, The Optical Society – IYL 2015

SPIE, International Society for Optics and Photonics IYL 2015

ICTP, International Centre for Theoretical Physics

1000 años de los trabajos de Ibn Al-Haytham (Alhacén)

PROYECTO “Light Beyond the Bulb”: http://lightexhibit.org/

 

También puedes encontrar más información sobre el Año Internacional de la Luz 2015 y sobre actividades organizadas por otras instituciones en el portal www.luz2015.es .

 

Bibliografía

 

Sánchez del Rio, Carlos (2004). Los principios de la física en su evolución histórica. Madrid: Ed. Instituto de España.

Alonso, Marcelo y Finn, Edward (1998). Física. Volumen II. Campos y ondas. México: Addison-Wesley.

Rossi, Bruno (1978). Fundamentos de óptica. Barcelona: Reverté.

Solís, Carlos y Selles, Manuel (2007). Historia de la Ciencia. Madrid: Espasa.

 

Descarga del artículo completo:

Pep Vañó_2015 Año Internacional de la Luz

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