¿Cuantas veces has mirado el cielo estrellado y te has maravillado? Las estrellas parecen solo puntitos; destellos blancos, o azulados, quizá amarillentos, suspendidos en la oscuridad… Nada más. No podemos acercarnos, tocarlas, menos recoger un pedazo de su superficie o guardar una muestra en un frasco. Pero aun así, hoy sabemos de qué están hechas: sabemos la temperatura que tienen, su velocidad, su edad e incluso cómo lucirán en un futuro.
¿Cómo es posible saber todas esas cosas sin haber ido hasta allá?
La respuesta está en la luz. Pero no en la luz como una simple fotografía, sino como una botella que guarda un mensaje oculto dentro… una botella que navega por miles o millones de años por el océano del medio interestelar o intergaláctico hasta llegar a nosotros. Cada átomo, cada molécula y cada grano de materia deja una huella en la luz, como un código secreto que hemos aprendido a leer. La astronomía moderna nació, en buena parte, cuando aprendimos a leer esas firmas. Y para leerlas hubo que entender una idea extraña: que la naturaleza, en su escala más pequeña, no intercambia energía de cualquier manera, sino en paquetes discretos: Cuantos.
La física cuántica suele aparecer en la cultura popular envuelta en misterio, frases seductoras, respuestas milagrosas, palabras complicadas que nos hacen pensar que quien las dice sabe de lo que habla (muchas veces no…). Pero su verdadera influencia en la vida humana no necesita misterios ni palabras enredadas: sostiene nuestra tecnología y nos permitió ver el firmamento como un gran laboratorio natural. Sin la cuántica, la astronomía sería muda: Veríamos luces, posiciones y movimientos; pero no podríamos escuchar lo que la materia nos dice a través del mensaje que almacena la luz por dentro.
Este es, entonces, un viaje por un universo arcoíris: no solo el de los colores que ven nuestros ojos, sino el de toda la luz invisible que nos revela de qué está hecho el cosmos. Veamos cómo logramos descifrar el mensaje dentro de la botella:
Los átomos y la luz
Hubo diversos momentos en el pasado de nuestra especie en donde comenzamos a comprender e incluso dimensionar que había un universo material mucho más allá de lo que los sentidos nos mostraban. Las antiguas culturas humanas, en medio de sus diversas cosmovisiones, desarrollaron explicaciones de la materia y de su interacción con la luz.
Por otro lado, a diferencia del mito, la ciencia se sustenta en conceptos que requieren comprobación y reproducibilidad sin excepciones. Desde esta óptica, uno de los primeros grandes avances en la comprensión de la materia ocurrió en 1987. En ese año, Joseph John Thomson experimentando con un tubo de rayos catódicos (¡qué nombre! eso era lo que tenían por dentro los televisores viejitos), descubrió que dentro de los átomos hay partículas diminutas con carga eléctrica a las que llamó electrones. Subsecuentes experimentos, dieron luz sobre la existencia de un núcleo atómico, de carga eléctrica positiva y además de una componente neutra.
Por otro lado, ya hacía siglos que se venía experimentando con la luz. Intuitivamente, entendemos a la luz como algo etéreo, algo con lo que todo interactúa, pero no podemos tocar, pesar o retener (¿será?). Para el año 1800, los astrónomos William y Caroline Herschel descubrieron la radiación infrarroja, que se podía medir, pero no ver. Lo lograron dispersando la luz solar blanca en los colores del arcoíris, ubicando un termómetro más allá del rojo típico observado (figura 2).
Poco tiempo después, pero usando placas cubiertas de cloruro de plata, el químico Johann Wilhelm Ritter observó que estas reaccionaban si las aproximaba justo más allá del violeta del arcoíris. Con esto descubre otra radiación invisible: la ultravioleta. Ya en 1886, contemporáneo a Thompson el físico Heinrich Hertz construye un aparato capaz de generar y captar otro tipo de radiación invisible que hoy conocemos como ondas de radio y microondas (figura 3).
Todos esos descubrimientos sobre la luz y la materia, que continúan durante el siglo XIX se creían inconexos hasta 1865. Para ese año, el físico James Clerk Maxwell demostró matemáticamente que los campos eléctricos y magnéticos acoplados forman ondas que viajan por el espacio sin un medio que las propague. A esto le llamó Ondas Electromagnéticas cuya velocidad es exactamente la velocidad de la luz. Este desarrollo llevó a la sorprendente conclusión de que todas las radiaciones descubiertas hasta la fecha son manifestaciones de este nuevo tipo de onda. De esta manera el arcoíris es solo la parte visible por el ojo humano dentro un gran espectro invisible (figura 4). Es decir, en la naturaleza existe la luz visible y la luz invisible.
Ahora si… la relación entre la materia y la luz
Hasta aquí, el estudio de la composición del átomo y el de la naturaleza de la luz parecen no estar relacionados. Sin embargo, son precisamente los objetos materiales que de una u otra forma emiten luz. Entonces es inevitable pensar ¿qué papel tiene la luz en la composición y estructura interna del átomo? ¿Tiene algún sentido esta pregunta?
La respuesta es un rotundo sí, y su explicación va de la mano de uno de los problemas más inquietantes para la física del siglo XX: la radiación de cuerpo negro.
¿Qué es un cuerpo negro? Pues bien, sabemos desde tiempos muy lejanos que los materiales u objetos a alcanzar una cierta temperatura irradian luz y calor (pensemos en un metal al rojo vivo). Pero irónicamente para la física, explicar la cantidad de luz que emitía el objeto dependiendo de la temperatura que tenía parecía algo imposible de lograr.
No fue sino hasta 1900, cuando Max Planck propuso algo bastante difícil de intuir: que la energía que irradiaban estos objetos solo podía emitirse en paquetes o cantidades fijas, múltiplos de un valor constante (la famosa constante de plank, h). A estos paquetes los llamó cuantos (figura 5). En 1905, Albert Einstein usando este concepto, propuso que la luz estaba formada por cuantos de energía (fotones) capaces de interactuar con los átomos. ¡Los fotones podrían entonces alterar la estructura de la materia!
Los fotones eran algo así como las monedas que la materia intercambiaba para perder o ganar energía, y las monedas tenían una denominación mínima… (igual que como funciona nuestro dinero) todas las transacciones que hicieran los átomos tenían que ser valores múltiplos de la moneda más pequeña posible.
Esta maravillosa conexión marcó el comienzo de la física moderna: una colección de conceptos soportados a través de evidencia experimental, que nos permitieron tener un dominio profundo de la naturaleza.
Nueva era para la ciencia
A finales del siglo XIX muchos experimentos habían mostrado que la luz emitida por los átomos, al pasarla por un prisma o dispersor, no producía un arcoíris continuo como vemos en el cielo luego de una lluvia… en su lugar surgían líneas brillantes, separadas por regiones oscuras, como si hubiera sido cortado en trozos muy precisos. Mira la diferencia en este video:
A esa luz descompuesta la llamamos espectro. Un espectro es una forma de ordenar la luz según su color (y el color está relacionado con la energía que tiene, recuerda la figura 4). Cuando la luz contiene todas las longitudes de onda de manera suave, obtenemos un espectro continuo (como el bombillo incandescente al comienzo del video). Cuando un gas caliente emite solo en ciertos colores específicos, vemos un espectro de emisión: que no es más que líneas brillantes sobre un fondo oscuro. Y cuando una fuente de luz continua atraviesa un medio más frío, algunos colores son absorbidos por ese medio y aparecen como líneas oscuras: eso es un espectro de absorción.
Un ejemplo PRO de cómo aparece un espectro de absorción es el siguiente:
Lo extraño era que cada elemento químico producía su patrón de líneas cual huella digital única. No eran manchas al azar. Algo estaba pasando en la estructura interna de la materia estaba seleccionando qué colores podían aparecer y cuáles no. Había una razón, y esa debía estar dentro del átomo…
La explicación llegó con una idea profundamente cuántica: los átomos, así como la luz, tampoco pueden tener cualquier energía. En 1913, Niels Bohr propuso un modelo atómico en el que los electrones solo podían ocupar ciertos niveles de energía alrededor del núcleo. Para pasar de un nivel a otro, el átomo debía absorber o emitir una cantidad exacta de energía. Esa cantidad corresponde a un fotón (la unidad mínima de energía de la luz). Bohr consagró el matrimonio entre la radiación y la materia. Son inseparables.
Cuando un electrón cae de un nivel alto a uno más bajo, el átomo emite un fotón (figura 7). Por otro lado este ahora sube a un nivel más alto, el átomo absorbe un fotón (necesita más energía que la que tiene para estar en un nivel superior). Pero no cualquier fotón sirve: su energía debe ser exactamente la diferencia entre el nivel inicial y final. Así, como cada fotón de luz con determinada energía, tiene un color, si tenemos un gas, por ejemplo de hidrógeno, ¡terminaremos observando un lindo código de barras multicolor!.
Las líneas espectrales son huellas cuánticas. Cuántica que podemos ver con nuestros ojos: evidencia de que la materia intercambia energía siguiendo las mismas reglas que se ajustan al sistema de paquetes con el que juega la luz.
La era de los «espectros»
El matrimonio materia-luz cambió por completo la astronomía. Antes del desarrollo de la física moderna, podíamos medir con gran precisión la posición de los astros, seguir sus movimientos y registrar cuánto brillaban. Pero había una pregunta mucho más profunda que seguía abierta: ¿De qué están hechos los astros? La espectroscopia permitió responder esta pregunta y descifrar el mensaje dentro de la botella.
Lo más sorprendente es que no tenemos que viajar por el medio interestelar: la información llega a nosotros de forma continua. La luz está ahí, solo debemos tener los instrumentos adecuados para capturar todo cuanto necesitemos. Cuando observamos el espectro de una estrella, una nebulosa, o una galaxia, no vemos solo luz. Dentro hay información física codificada. Las líneas espectrales permiten identificar elementos químicos, estimar temperaturas, densidades, velocidades, campos magnéticos y estados de ionización. Por eso la espectroscopía se convirtió en una de las herramientas más poderosas de la astronomía moderna.
Pero hay matices…
No todas las líneas espectrales nacen del mismo tipo de transición. Mejor dicho, los electrones en los átomos no se mueven todos de una única manera. Podríamos decir que disponemos de un zoológico de tipos de espectros diferentes: En los átomos, muchas líneas aparecen porque los electrones saltan entre niveles de energía. En las moléculas, además de saltos, los átomos pueden vibrar y rotar, produciendo líneas menos energéticas (en la parte roja no visible). Incluso existen transiciones hiperfinas, causadas por pequeñas interacciones magnéticas dentro del átomo, ese es el origen de la famosa línea de 21 cm del hidrógeno neutro.
Esta línea es una inofensiva emisión en ondas de radio (muy baja energía), que ha sido crucial para mapear el gas difuso de la Vía Láctea. Gracias a ella podemos estudiar regiones donde no hay estrellas brillantes iluminando el paisaje, pero sí enormes cantidades de hidrógeno atómico, con lo que podemos entender mucho mejor la estructura de nuestra galaxia.
Así, el universo dejó de ser solo una colección de puntitos brillantes. El cielo se convirtió en un archivo químico, térmico y dinámico. Cada espectro es una especie de huella digital cósmica. ¡Y la física cuántica nos dio la clave para leerlo!.
Así vemos un espectro real en la oficina:
Finalmente hoy día, los telescopios de última generación están cimentando la espectroscopía de alta precisión. Por un lado, en el espacio el James Webb Space Telescope (JWST) que combina diversos espectrógrafos para dar detalles desde atmósferas de exoplanetas, hasta galaxias en los primeros inicios del universo.
En Tierra, el Very Large Telescope (VLT) opera también un espectrógrafo de alta resolución destinado a la identificación de exoplanetas similares a la Tierra, y composición química de galaxias y estrellas. Por otro lado, el Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) ha identificado millones de espectros de galaxias y cuásares que permiten mapear la estructura a gran escala del universo. Cabe resaltar que estos son solo algunos ejemplos de todos los instrumentos activos y proyectados destinados a mirar cada vez de forma más precisa el cosmos.
Los descubrimientos y desarrollos tecnológicos que hemos explorado hasta ahora muestran que la física cuántica no es un capítulo cerrado. Mas bien se muestra como una historia que estamos y seguiremos escribiendo. Aún hay muchos problemas por resolver, y desconocemos las nuevas tecnologías que podrían surgir de sus respuestas.
Apéndice: No solo cambió la astronomía
El trabajo de Bohr y posteriores dio lugar al descubrimiento de fenómenos fundamentales como la dualidad onda-partícula, el principio de exclusión de Pauli, principio de superposición, el principio de incertidumbre, el efecto túnel, y el spin del electrón que constituyen la columna vertebral de la física cuántica tal y como la conocemos. Todos estos nuevos fenómenos físicos generaron un impacto en la tecnología:
- La explicación del efecto fotoeléctrico propuesta por Einstein dio lugar a la creación de las primeras celdas fotovoltaicas que no son otra cosa que dispositivos capaces de convertir la luz en corriente eléctrica.
- El entendimiento cada vez más refinado de la cuantización de niveles de energía atómicos y del principio de incertidumbre permitió el desarrollo de los láseres, la comunicación por fibra óptica y los relojes atómicos que regulan el GPS y las redes de telecomunicaciones.
- El principio de exclusión de Pauli explica las propiedades electrónicas que aprovechamos en los semiconductores, y que son la base de todos los transistores y circuitos integrados. Además, hace posible los LEDs y pantallas de televisores y celulares.
- El spin del electrón es la base de los dispositivos de resonancia magnética usados para diagnósticos médicos de alta resolución. Adicionalmente, muchos otros descubrimientos acerca de propiedades de partículas subatómicas son usados a diario en otros dispositivos médicos y comerciales.
Bueno, ya para despedirme solo quiero manifestar que este post también es un esfuerzo por resaltar que detrás de cada teléfono, cada panel solar o cada exploración espacial, late fuertemente el corazón de una ciencia que lejos de ser enigmática, es hermosa. No solo vale la pena hacer un esfuerzo por entenderla; urge hacerlo como sociedad, porque que el progreso tecnológico debe ser coherente con la capacidad de discernir las ventajas y las consecuencias de cada uno de sus descubrimientos. Al final de cuentas, somos todos los que vivimos en este universo arcoíris.
Glosario
1. Dualidad onda-partícula.
Es una propiedad de la materia y la luz según la cual la materia se puede describir de forma simultánea como una onda y como una partícula y la observación de alguna de estas características depende del experimento que realicemos.
2. Principio de superposición.
Es una regla que permite a un sistema físico existir simultáneamente en todas sus configuraciones posibles hasta que una medición restringe el sistema y lo obliga a mostrarse en uno de estos posibles estados superpuestos.
3. Espín.
El espín o momento angular intrínseco, es una propiedad interna de las partículas elementales que no tiene un análogo clásico y que determina su comportamiento magnético y estadístico.
4. Principio de exclusión de Pauli.
Prohíbe que los fermiones compartan exactamente las mismas propiedades (números cuánticos) dentro de un sistema. La naturaleza está compuesta por dos grupos de partículas según el modelo estándar: Los fermiones con espín1 semientero que constituyen toda la materia conocida y los bosones con espín entero que no están sujetos a esta restricción y actúan como portadores de las interacciones fundamentales o fuerzas.
5. Principio de incertidumbre.
Ley cuántica que establece un límite de naturaleza probabilística para la medición de objetos cuánticos. Entre más precisa sea la medición de una propiedad fundamental, menos será la capacidad de medir su propiedad complementaria. Algunos ejemplos de propiedades complementarias son la posición-velocidad o la energía-tiempo.
6. Efecto túnel.
Es una propiedad de las partículas cuánticas que les permite cruzar a través de una “barrera de energía”. En otras palabras, en el mundo microscópico existe una probabilidad de que las partículas puedan pasar a través de barreras en donde clásicamente necesitarían mucha más energía para cruzar sin saltarlas ni romperlas. Este fenómeno desafía nuestra intuición macroscópica.
7. Efecto fotoeléctrico.
Se refiere a la capacidad que tienen los materiales de expulsar electrones una vez que se exponen a luz cuya frecuencia supera un umbral determinado. Cada fotón irradiado entrega energía a un electrón del material. Si esta energía rebasa la necesaria para liberarlo, el excedente se convierte en velocidad de salida. El movimiento sistemático de electrones removidos del material genera una corriente eléctrica que se puede medir.
Nota: Este post es una adaptación del artículo de divulgación que publiqué en la revista Naturaleza y Tecnología, Vol. 12, Núm. 2 (2025). Número Especial «30 Aniversario del Departamento de Astronomía de la Universidad de Guanajuato». Titulado: De los cuantos a las estrellas: 100 años de huellas en la exploración del universo. http://www.naturalezaytecnologia.com/index.php/nyt/issue/view/70/showToc
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