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La luz ha estado presente en todos los grandes eventos que han dado paso a transformaciones cruciales en el Universo, tal es el caso de la conformación misma de éste como ahora lo conocemos, y el origen de la vida en nuestro planeta, entre muchas otras. Recientemente, el satélite Planck, de la Agencia Espacial Europea, capturó una imagen sorprendente de “la luz más antigua del Universo”, cuando éste tenía sólo 380,000 años (figura 1), la cual, sin duda, dará la pauta a una más acertada explicación sobre su origen

La luz, como coloquialmente la conocemos, no sólo comprende las longitudes de onda que nuestro sistema visual percibe —de aproximadamente 400 nm^I (azul) hasta 700 nm (rojo)—, sino que se extiende en ambos lados de este rango: así comprende las ondas de rayos gamma y rayos X, pasando por la luz visible, para continuar con la infrarroja, las microondas y las ondas de radio que llegan a tener decenas de metros de longitud. Este gran rango de longitudes de onda es conocido como el espectro electromagnético.
Es importante mencionar que también las ondas se pueden medir por su frecuencia, ya que la velocidad de la onda es igual al producto de la frecuencia por la longitud de onda, y la velocidad de estas ondas en el aire es, aproximadamente, igual a c, la velocidad de la luz, que es igual a 300,000,000 m/s.
Según algunos historiadores de la ciencia, la documentación de temas relacionados con la luz data de más o menos 4,000 a. C., cuando, en Mesopotamia, científicos en ciernes realizaban observaciones de los cielos para predecir acontecimientos que relacionaban con los ciclos de agricultura y posibles eventos de interés para el rey o gobernante en turno.

CUADRO I. Algunas áreas de investigación en óptica

ÁREA	APLICACIONES
Entretenimiento	Videojuegos en 3D, memorias ópticas
Telecomunicaciones y tecnologías de la información	Redes, telefonía, redes de televisión, banca on line, música, reproductores de audio y video...
Seguridad y defensa	Biométrica, documentos y monedas
Iluminación y defensa	LED, energía solar, fotosíntesis, ventanas inteligentes, nanofónicas
Manufactura	Semiconductores, litografía, metrología, visión robótica
Transportación	Cámaras de control de tráfico, vehículos y carreteras inteligentes
Salud, vida y medio ambiente	Opto-genética, oftalmología y visión, fototerapia

FIGURA 1. Visualización —sobre toda la bóveda celeste— del estado de polarización de la radiación cósmica de fondo, en la longitud de las microondas. http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2015/02/Polarisation_of_the_Cosmic_Microwave_Background

     Estas observaciones representaban augurios, señales de los dioses que se hacían visibles por medio de la luz; por supuesto, no se pensaba en lo que era la luz, sino en su significado relacionado con su realidad. Estos estudios sobre la posición de los astros en el cielo dieron origen a la óptica: una decodificación de información sobre el mundo que vemos.
     Más adelante, los griegos plantearon que la óptica fuera la disciplina abocada al estudio de la percepción de la luz y la dotaron de una conceptualización matemática y geométrica, lo que dio cabida a la interpretación entre lo observable (luz) y su explicación a través de las matemáticas.
     Siglos después, durante el imperio musulmán, se realizaron observaciones más precisas del cielo a partir de matemáticas más elaboradas; nació entonces Abu Ali Hansan Ibn Al-Haithham (965-1040 d. C.), quien llevó a cabo el primer estudio científico sobre las lentes, dejó los primeros escritos con una descripción correcta del sistema visual y dio la primera explicación satisfactoria sobre la formación del arcoíris, por lo que es considerado el padre de la óptica moderna.
     Durante el Renacimiento y los años posteriores, hubo, en Europa, un gran número de notables científicos que estudiaron la luz y su interacción con el mundo que los rodeaba, tratando de explicar fenómenos de la naturaleza. Entre ellos destacan: Roger Bacon (1267), quien predijo una velocidad de la luz finita; Tycho Brahe (1546), el hombre que realizó observaciones astronómicas con una gran precisión; Johannes Kepler (1604) con su propuesta de órbitas elípticas planetarias; Hans Lippershey (1608) con su primer telescopio que tenía una combinación de lentes positivas y negativas; Galileo (1609), quien hizo una copia del telescopio de Lippershey y confirió una gran importancia a la interpretación de lo observable; Fermat (1601-1655), cuyo principio de tiempo mínimo permitió un profundo entendimiento sobre la luz; Francesco Grimald (1655), quien aportó su estudio sobre la forma en que la luz se difracta al pasar por una pequeña abertura; Hook (1665), quien explicó los colores en una mica; Newton (1666) con su dilucidación sobre el fenómeno de la dispersión de la luz en un prisma, a través de los colores del prisma; Huygens (1678) propuso conceptualizar la visualización de la luz como ondas; Thomas Young (1801) utilizó la naturaleza ondulatoria de la luz para crear interferencia, o la sobreposición de ondas en el espacio; Malus (1808) y Brewster (1815), quienes determinaron que la luz puede ser polarizada por reflexión; Michael Faraday (1855) aportó la explicación sobre la rotación de la luz en un campo magnético fuerte; James Clerk Maxwell (1856), con sus brillantes descripciones físico-matemáticas, propuso que la luz es ¡una onda electromagnética!
     En la óptica moderna están también presentes diversos genios científicos, entre los cuales podemos citar a: Heinrich Hertz (1887) quien, accidentalmente, descubrió el efecto fotoeléctrico; Rayleigh (1899) nos explicó por qué el cielo es azul; Max Karl Plank (1900) aportó su teoría de radiación (diferentes longitudes de onda de la luz) de cuerpo negro; Einstein, quien, en 1905 y 1916, describió el efecto fotoeléctrico, la cuantización de la luz y la emisión de luz estimulada; Zernicke desarrolló el microscopio de contraste de fase; Dennis Gabor (1948-1949) formuló los conceptos de la holografía; Charles Townes, J. P. Gordon, H. T. Zieger (1954) y T. H. Maiman (1960), inventores del máser y el láser…, la lista continúa con invenciones y/o descubrimientos de la fibra óptica, espectroscopia láser, etcétera.
     Estudios, investigaciones e invenciones sobre la luz, su utilización e interacción con su entorno han dado como resultado diversos premios otorgados por países, fundaciones, organizaciones e instituciones, sociedades científicas, académicas y tecnológicas, entre las que se cuentan más de 50% de los Premios Nobel en física, y un porcentaje no despreciable de los conseguidos en las áreas de química y fisiología o medicina.

La óptica en la actualidad

FIGURA 2. Máscara del rey Pakal el Grande. Imagen creada a partir del original, con luz estructurada

Hoy día, la óptica es el área de la física que estudia los principios básicos y aplicados de la luz; pero, quizá sea ésta el área que tiene una mayor interacción con casi cualquier otra disciplina; es decir, la óptica es una materia multidisciplinaria e interdisciplinaria que engloba alrededor de un centenar de diferentes temas. En países desarrollados, produce o es facilitadora de industrias multimillonarias (cuadro 1).
México cuenta con la infraestructura básica para el estudio de esta importante disciplina, en instituciones ligadas al Conacyt, en aquellas relacionadas con educación superior y, de manera un tanto incipiente, en diferentes industrias nacionales y extranjeras. En México, la óptica se emplea de diversas maneras y, tomando en cuenta que su tecnología es de uso común en todos los rincones del país, muchos de nosotros no nos damos cuenta de dónde está, ni de cómo y cuándo la usamos (cuadro 2).

CUADRO 2. Ejemplos del potencial de la luz (y la óptica) en la vida diaria, en ciencia, tecnología e innovación

Arquitectura y diseño, salud: por ejemplo en la percepción del color, en las condiciones de iluminación, luz y sombra de espacios. Un estudio reciente ha mostrado que los cambios en el color de la luz, y no sólo en la intensidad de la luz, cambian el reloj biológico de los mamíferos (ritmos circadianos). Es decir, el cambio en color de la luz en el cielo (de azul a amarillo) reproduce con mayor exactitud la posición del sol, efecto que mantiene el “tic-tac” del reloj (tiempo) con mejor precisión. Este estudio también sugiere que el uso del color como un cronómetro podría explicar la evolución del sistema de visión a color. Los colores pueden ser apropiadamente empleados para crear lugares propicios para el descanso, etcétera.
Cine: la invención de un astrónomo francés en 1874, Jules Janssen, llamada
“el revolver fotográfico”, es considerada por algunos historiadores como la idea precursora del cinematógrafo (en 2015 se celebra el 120 aniversario de la patente del cinematógrafo obtenida por los hermanos Lumière: proyección de imágenes con luz para producir la ilusión de movimiento).
Arqueología e historia: alineaciones de observatorios y pirámides (p. ej.,
en construcciones mayas) con respecto a observaciones astronómicas
(del Sol así como de Venus y otros planetas); el uso de la luz de los equinoccios y solsticios (luz y sombra).
Pintura: conservación de obras de arte, trazos originales del pintor (un concepto llamado pentimento del italiano arrepentimiento, queriendo significar que el [la] artista cambió de parecer en su obra), pueden ser visibles con usando luz infrarroja (y otras longitudes de onda, y técnicas), con lo cual los historiadores y restauradores pueden trabajar con mayor conocimiento en la obra.
Agricultura: cuando las plantas han terminado de convertir el bióxido de carbono de la atmósfera y la energía de la luz del sol en alimento, el proceso da como resultado la producción de oxígeno y un subproducto basura que son fotones* de luz de baja energía reemitidos por las plantas. Los satélites climáticos pueden detectar esta fluorescencia lo que ofrece una manera novedosa de monitorear la fotosíntesis de las plantas en una escala global.

*Un fotón es una partícula de luz que no tiene masa, pero sí energía.

Aplicaciones de la óptica

FIGURA 3. Imagen captada de una mariposa en pleno vuelo. La barra de colores da la cuantificación de los desplazamientos micrométricos sobre la superficie de las alas

Una aplicación de la luz que ha mostrado tener muchísimo uso en diversos campos del conocimiento es la que se practica en el Centro de Investigaciones en Optica, A. C. Ahí, el Grupo de Metrología Óptica se dedica a usar la luz para medir, de una manera no invasiva (esto es, sin tener que tocar los objetos de los cuales se quiere extraer información cuantitativa sobre algún parámetro físico), por ejemplo: desplazamientos (movimientos en 3D),^II además de definir y delimitar las formas de objetos.^III El primer ejemplo, figura 2, es la reproducción de la máscara del rey Pakal el Grande. La imagen fue creada a partir del original, utilizando luz estructurada,¹ que es básicamente la proyección de líneas igualmente espaciadas sobre la máscara:² el sistema extremadamente básico de proyección de líneas es el uso de un proyector de transparencias, el ejemplo anterior es una imagen de líneas paralelas separadas por fracciones de milímetros, es decir, una transparencia de 35 mm que contiene líneas paralelas espaciadas para tener 100 líneas por transparencia. La precisión de la reproducción es tal, que resulta imposible, a simple vista, reconocer la diferencia al contrastarse con el original. La técnica es ampliamente usada en diversas áreas del conocimiento, en particular, en biometría (figura 2).
La figura 3 muestra la imagen de una especie de mariposa que se encuentra en abundancia en la ciudad de León, Guanajuato. La técnica utilizada fue la holografía digital interferométrica (HDI),^IV que consiste en iluminar el objeto bajo estudio, con un láser, y observar la luz esparcida³ (reflejada en varias direcciones, debido a que el objeto no es un espejo) con una cámara rápida a varios cientos de cuadros por segundo. El resultado es la observación de los desplazamientos micrométricos de las alas del insecto en pleno vuelo, datos de la mayor importancia para la industria aeroespacial.

Imprescindible el apoyo a la investigación en óptica

FIGURA 4. Se muestra la forma real de la membrana timpánica, imagen obtenida con la técnica HDI, de la cual el Grupo de Metrología Óptica, del CIO es uno de los líderes en el mundo

El estudio de las propiedades mecánicas de tejidos biológicos u órganos en el cuerpo humano es de suma importancia para el sector salud pues, mediante la misma técnica del ejemplo anterior HDI, este mismo grupo ha estudiado a fondo los mecanismos de trabajo de la membrana timpánica. La figura 4, presenta la forma real de este tejido, dato que se ha utilizado para estudiar propiedades de desplazamiento en 3D.³
Se designó 2015 como el Año internacional de la luz y las tecnologías asociadas a la luz. La óptica es el área del conocimiento que estudia la luz y su interacción con su entorno. Es un área multi e inter disciplinaria, con una creciente importancia entre científicos y tecnólogos de todas las áreas del conocimiento. La luz y sus tecnologías asociadas son utilizadas diariamente por gente común. México tiene varios grupos de investigación consolidados que trabajan en importantes áreas de la óptica los cuales, sin duda alguna, con el creciente apoyo del Estado mexicano, cobrarán importancia mundial; sin embargo, la industria óptica en el país es muy pequeña y debe crecer a través de la creación de pequeñas empresas, producto de las investigaciones realizadas; desde luego, con el apoyo y soporte de las instancias del Estado mexicano y de la iniciativa privada.