Ver lo no visto. La ciencia de la óptica
UN PAISAJE espectacular, una luminosa puesta de sol, una encantadora flor, ¡qué placer da contemplar estas cosas! Y aunque raras veces pensamos en todo lo que implica el sentido de la vista, sin duda estamos contentos de poder ver.
Aunque el ojo de por sí ya es maravilloso, lo que podemos ver a simple vista no es más que una fracción de todo lo que hay para ver. Mediante el uso de instrumentos ópticos —desde la simple lupa hasta telescopios, microscopios, cámaras especiales, espectroscopios y demás—, la óptica, nombre que recibe la ciencia que estudia las leyes y los fenómenos de la luz, ha ampliado mucho lo que sabemos de nosotros mismos y del mundo que nos rodea.
Es posible que algunos de estos instrumentos ópticos le resulten familiares pero, ¿sabe cómo funcionan? Por ejemplo, ¿por qué una lupa aumenta el tamaño de la imagen? ¿A qué se debe que un instrumento nos acerque el mundo de los microorganismos mientras que otro nos ayude a ver la vasta expansión del universo? Desde hace mucho tiempo, la óptica ha sido un campo de investigación fascinante.
El elemento básico
¿Ha utilizado alguna vez una lupa para concentrar los rayos del Sol sobre un pedazo de papel y ver cómo se forma un agujero y empieza a arder? Lo que usted tenía en las manos era un instrumento óptico en su forma más simple: una lente. El puntito que usted veía en el papel no era más que una imagen del Sol producida por esa lente sencilla que tenía en la mano. La lente concentró toda la energía de aquellos rayos de luz solar en un pequeño punto, y eso produjo el calor suficiente para quemar el papel.
Otra lente con la que muchos están familiarizados es la que se ve en la parte delantera de una cámara fotográfica. Quizás sepa que para sacar una fotografía, la lente o conjunto de lentes que componen el objetivo enfocan la luz de un objeto e impresionan una imagen sobre la película. En esencia, lo que el objetivo hace es concentrar la luz para formar una imagen del tamaño e intensidad adecuados a fin de que pueda observarse o registrarse. Pero, ¿cómo consigue el objetivo que los rayos luminosos cambien de dirección y se concentren, es decir, se enfoquen? La respuesta radica en un fenómeno óptico denominado refracción.
Cuando usted introduce un palo en el agua, ¿qué ve? ¿No es cierto que parece que el palo se haya doblado por el punto en el que entra en contacto con el agua? Aunque extraño, este hecho común ilustra que cuando un rayo de luz pasa de un medio a otro, tal como del agua al aire, no continúa en línea recta sino que se dobla y cambia de dirección, excepto cuando incide perpendicularmente en el otro medio. Los científicos llaman a este fenómeno “refracción”. El grado de refracción de la luz depende del medio —aire, agua, aceite, vidrio, etcétera— y del ángulo de incidencia, es decir, el ángulo formado por el rayo luminoso y la vertical en el punto de incidencia.
Vuelva a echar una mirada a la lente delantera de una cámara. Observará que su superficie no es plana, sino redondeada y saliente, es decir, convexa. Ahora imagínese un rayo de luz que viene hacia ella de lejos. En el centro, la luz es perpendicular a la superficie de la lente, de modo que la atraviesa en línea recta sin producirse ninguna refracción pero el ángulo de incidencia aumenta progresivamente a medida que se aproxima a los bordes. Esto significa que la refracción provocada por la lente también es mayor cuanto más lejos del centro incida la luz. Debido a esto, todos los rayos procedentes de un mismo punto en un lado de una lente bien hecha se concentrarán o enfocarán en el otro lado formando una imagen.
El diseño de un sistema óptico
Sin embargo, complica las cosas el que la luz de diferentes colores o longitudes de onda se refracta en ángulos diferentes. Por eso, un prisma descompone los rayos de luz solar en sus colores, formando un arco iris. Eso es precisamente lo que sucede con una lente sencilla: los bordes de la imagen se suelen ver distorsionados, con un aura de color.
Este problema se puede vencer si se cuida el diseño. Por ejemplo, los científicos saben que el contenido químico del vidrio utilizado en la fabricación de una lente alterará sus propiedades refractivas. La creación de un sistema de lentes hechas de varias clases de vidrio y con diferentes curvaturas puede mantener al mínimo las aberraciones y las distorsiones.
Pero ese tipo de diseño no es tarea fácil. Hace tiempo solía requerir que muchas personas hicieran laboriosos cálculos durante semanas y meses, pero hoy día, se utilizan ordenadores para calcular todas las variaciones posibles en los ángulos de los rayos luminosos, las distancias entre las lentes, la curvatura de cada lente y un sinfín de otros factores. Se programa el ordenador para seleccionar la combinación que resultará en un sistema óptico de la máxima precisión.
Un buen objetivo fotográfico puede tener de cuatro a siete elementos individuales, o hasta más, y sus superficies tienen una tolerancia de diez milésimas de milímetro. Cada elemento tiene que estar montado con gran minuciosidad en relación con los demás. A fin de captar la máxima luz posible, el diámetro de cada elemento debería ser lo mayor que resulte práctico. Todos estos factores resultan costosos, y eso explica por qué es tan cara una cámara de precisión. Por ejemplo, una de las cámaras utilizadas en el transbordador espacial Discovery puede fotografiar detalles de diez metros de ancho en la superficie de la Tierra desde una distancia de más de 240 kilómetros en el espacio. Esta cámara tiene un objetivo que consta de ocho elementos y cuesta nada menos que nueve millones de dólares.
Viendo lo no visto
Imagínese lo que hay envuelto en diseñar, fabricar y probar un sistema óptico a fin de utilizarlo en un telescopio que nos permitirá fijar la vista en nuestro vasto e impresionante universo. Las estrellas distantes son tan imperceptibles que la mayoría resultan invisibles a simple vista. Pero un telescopio es capaz de recoger la máxima luz posible de estas remotas estrellas, enfocarla en un punto común y formar una imagen visible.
La mayoría de los telescopios utilizan un espejo cóncavo para recoger los débiles rayos luminosos. Por ejemplo, el famoso telescopio Hale situado en Monte Palomar (California, E.U.A.) tiene un espejo de 5 metros de diámetro y permite ver lo que hay a una distancia de hasta varios miles de millones de años luz. Por impresionante que parezca, el telescopio Hale ya ha sido eclipsado por el que se encuentra en la cima del volcán Mauna Kea (Hawai, E.U.A.), que está dotado de un telescopio con un espejo de 10 metros de diámetro, de forma que su capacidad de captación de luz es cuatro veces mayor que la del telescopio de Monte Palomar. De hecho, es tan potente, que “permite ver la luz de una sola vela a una distancia como de aquí a la Luna”, dijo Howard Keck, presidente de la fundación que donó 70 millones de dólares en apoyo del proyecto.
Sin embargo, los astrónomos llevaban tiempo con los ojos puestos en un telescopio diferente: el telescopio espacial Hubble, que ha costado 1.600 millones de dólares (E.U.A.). Colocado fuera de la atmósfera por el transbordador espacial Discovery, describe una órbita alrededor de la Tierra a unos 600 kilómetros de altitud. Como no tiene la obstrucción de la atmósfera terrestre, puede ver con tanta claridad que, en teoría, su poder de resolución es “equivalente a distinguir el faro izquierdo de un automóvil del derecho desde una distancia de 4.000 kilómetros”, afirma la revista Sky & Telescope. Para conseguir este grado de resolución, la superficie de su modesto espejo de 2,4 metros de diámetro debía ser de una tolerancia de quinientas milésimas de milímetro en más o en menos. Sin embargo, para gran desánimo de todos, las primeras imágenes que envió estaban borrosas, por lo visto debido a un defecto de fabricación. “Un fragmento de película sintética del tamaño de un grano de arena —dice un informe publicado en la revista New Scientist—, se desprendió de un aparato de calibración durante la fabricación del espejo primario del telescopio. Como resultado, al pulir el espejo, lo dejaron demasiado plano.” ¡Parece que hasta la más compleja e innovadora de las altas tecnologías es vulnerable!
De ver de lejos con la ayuda de un telescopio, podemos pasar a ver de cerca con un microscopio. Los primeros microscopios no eran más que una lente de aumento. Para el siglo XVII empezaron a utilizarse microscopios compuestos, en los que la imagen formada por una lente era después ampliada por otra. La primera lente normalmente se denomina “objetivo”, porque está en la parte que se dirige hacia los objetos que desean verse, y la segunda lente, por la que mira el observador, se denomina “ocular”.
Para que un microscopio cumpla su función debe ser capaz de recoger de un objeto minúsculo los máximos rayos luminosos posibles. Para ello, el objetivo tiene forma hemisférica, es decir, de media esfera. Aunque solo tiene un milímetro de diámetro o menos, sus superficies deben tener una tolerancia de una milésima de milímetro.
Es digno de mención que la capacidad de ver objetos pequeños no depende tanto del instrumento como de la luz utilizada para iluminar el objeto. Cuanto más pequeño sea el objeto de examen, tanto más corta debe ser la longitud de onda de la luz que lo ilumina. Los microscopios ópticos utilizan luz visible y esto los limita a ver objetos que no tengan menos de diez milésimas de milímetro de ancho. Los primeros microscopios permitieron que los científicos descubrieran que las plantas están compuestas de innumerables células, una verdadera revelación. Hoy día, los estudiantes de biología pueden escudriñar el reino de las bacterias y las células de la sangre con la ayuda de los microscopios que tienen en su aula.
Para ver objetos aún más pequeños, está el microscopio electrónico. Como su nombre indica, en lugar de luz visible, se dirigen a los objetos —de una millonésima de milímetro— rayos de electrones de alta energía. Este sistema permite ver virus y moléculas grandes.
¿Qué hay de la estructura del átomo o su núcleo? Para verlos, los científicos tienen que “hacer pedazos” un átomo y entonces utilizar ordenadores para construir un cuadro del resultado. De modo que, en cierto sentido, los “microscopios” más grandes y potentes son los aceleradores de partículas —ciclotrones, sincrotones y otros—, algunos de los cuales miden kilómetros. Estos instrumentos han dado a los científicos un vislumbre de los secretos de las fuerzas que mantienen unido el universo.
El maravilloso sentido de la vista
En comparación con estos complicados instrumentos, uno pudiera pensar que el ojo humano es bastante primitivo. Simple quizás sí, pero primitivo, jamás. Para el ojo, los diferentes colores de la luz no representan ningún problema. Su sistema automático de enfoque es rápido y eficaz. Puede ver en tres dimensiones, puede detectar millones de gradaciones de luz y tonalidades de color, puede crear y registrar una nueva imagen cada décima de segundo, y hay mucho más. ¡Qué gran obra maestra!
Nos sentimos muy agradecidos de poder ver, con o sin aparatos ópticos. El mayor conocimiento de cosas grandes y pequeñas, visibles e invisibles al ojo humano, ha producido muchos beneficios tangibles. Pero, sobre todo, el maravilloso don de la vista, aunado a lo que se aprende mediante esa ciencia llamada “óptica”, debería ayudarnos a ver la sabiduría y el amor de Aquel que suministró estas cosas: El Creador, Jehová Dios. (Salmo 148; Proverbios 20:12.)
[Fotografías en la página 23]
La espectacular nebulosa de Orión, a 1.300 años luz
Recuadro: Uno de los telescopios del Observatorio Nacional Kit Peak (Arizona, E.U.A.)
[Reconocimiento]
Foto por cortesía de la NASA
[Fotografías en la página 24]
Arriba: Base de una escama del ala de una polilla, ampliada con un microscopio electrónico
Abajo, a la izquierda: Al ampliarla 40.000 veces se ven aún más detalles, lo que ilustra el intrincado diseño de los seres vivos
Abajo, a la derecha: El primer microscopio compuesto de Robert Hooke, según apareció en su libro “Micrographia”, edición de 1665
[Reconocimientos]
Historical Pictures Service
Fotografías de arriba y de abajo, a la izquierda: Outdoor Pictures