El año de la luz

Tres estudiosos de las propiedades cuánticas de la luz han sido galardonados con el Premio Nobel de Física 2005. Se trata de Roy J. Glauber, John L. Hall y Theodor W. Hänsch.

La pregunta "¿Qué es la luz?" ha fascinado a la humanidad desde la más remota antigüedad. Según el Antiguo Testamento nuestro mundo fue creado con la frase "¡Hágase la luz!". Isaac Newton fue uno de los primeros científicos en considerar la luz como un flujo de partículas. Sin embargo, esta idea de la luz como modelo corpuscular fue prácticamente abandonada en el siglo XIX, cuando James C. Maxwell describió la luz visible como una onda electromagnética. En estas ondas, los campos eléctricos y magnéticos oscilan en ciertas frecuencias, relacionadas con los distintos colores que observamos en nuestro entorno.

La invención del láser y la teoría de Glauber son el origen de la óptica cuántica

Para Hall y Hänsch el máximo placer reside en hacer funcionar las cosas con sus propias manos

A principios del siglo XX, con el desarrollo de la mecánica cuántica, los físicos retomaron la idea de la luz corpuscular. Einstein propuso en 1905 entenderla así para su descripción de la emisión de electrones desde superficies metálicas provocadas por la absorción de luz. No obstante, no fue hasta finales de los cincuenta cuando se empezaron a medir los rayos lumínicos de una manera precisa para advertir directamente su naturaleza cuántica. Por otro lado, pronto empezaron a surgir nuevas fuentes de luz, como los láseres.

Para comprender estos avances era necesario generar análisis teóricos más profundos sobre qué es la luz y cómo podemos detectar su naturaleza íntima. La respuesta la proporcionó Roy Glauber. Lo que hizo Glauber en el año 1963 fue utilizar la naturaleza corpuscular de la luz como punto de partida para formular una teoría precisa de cómo contar fotones (las partículas de luz). Al cabo de los años, la descripción cuyos cimientos puso Glauber ha permitido describir diversos tipos de luz, desde la luz láser convencional que se utiliza en los lectores de códigos de barras o en los lectores de CD hasta la luz producida para aplicaciones avanzadas, como para criptografía cuántica.

Roy Glauber nació en 1925 y ya en sus años en la escuela mostró su fascinación por la ciencia. Todavía hoy presume de que, siendo un adolescente, pulió con sus propias manos espejos para su telescopio casero. Antes de cumplir los 17 años fue reclutado para participar en el famoso Proyecto Manhattan. En esos momentos las calculadoras automáticas eran prácticamente inexistentes y las muy destacadas habilidades matemáticas de Glauber sirvieron para hacer operaciones a alta velocidad.

Glauber pasó varios años de su juventud en Suiza junto a Wolfgang Pauli, una de las figuras más renombradas en mecánica cuántica. Poco tiempo después se incorporó como catedrático en una de las universidades norteamericanas más antiguas y más prestigiosas, la Universidad de Harvard. Allí, en los laboratorios Lyman, formuló su teoría de la medición de fotones, y todavía hoy, a sus 80 años, sigue investigando e impartiendo clases. Su oficina en Lyman es espectacular en varios sentidos: montones de papeles, libros y revistas reciben a los visitantes, en lo que parece el ejemplo paradigmático de desorden. Por supuesto, Glauber es siempre capaz de encontrar lo que busca en su desorden. Glauber es una personalidad pintoresca, conocido por todos por su perspicaz inteligencia y su humor ingenioso. Como científico y profesor es una delicia la claridad de sus presentaciones, y sus artículos y escritos son a la vez profundos y fáciles de seguir.

La invención del láser y la teoría de Glauber son el origen de lo que hoy llamamos óptica cuántica. Los otros dos científicos galardonados este año -Theodor Hänsch y John Hall- han ampliado esa disciplina hasta límites prácticos muy avanzados. Hall y Hänsh reconocieron el gran potencial del láser desde el primer momento y se convirtieron en pioneros en la construcción de nuevos sistemas, usándolos como herramientas para aplicaciones científicas y técnicas. Muchos de los métodos que inventaron son ahora comunes en los laboratorios láser en todo el mundo y algunas de sus invenciones tienen aplicaciones en la vida cotidiana.

La espectroscopia láser, por la cual Hall y Hänsch han recibido el premio Nobel, estudia la reacción de la materia al contacto con la luz o la reacción de la luz al contacto con la materia. Esto se hace observando los cambios en la luz cuando ésta interacciona con un material. La espectroscopia láser puede distinguir células cancerígenas de células sanas, medir los niveles de glucosa en la sangre, o detectar la presencia de polución en la atmósfera. También ayuda a entender procesos fundamentales de la naturaleza, como por ejemplo cómo dos átomos forman una molécula, o si las leyes de la física cambian con el tiempo.

El principal interés de Hall y Hänsch ha sido crear sistemas láser que aumentaran la precisión con la que se podría determinar la frecuencia de la luz. Esto permite estudiar los detalles más sutiles de la naturaleza. Con su última innovación, el llamado peine de frecuencias ópticas, un tipo particular de láser multicolor, será posible construir relojes atómicos o poner a prueba leyes fundamentales con una precisión sin precedentes, del orden de una parte en 10

18. Se puede apreciar lo extraordinario de esta cifra teniendo en cuenta que correspondería a medir la distancia Tierra-Luna con un error menor que el diámetro de un átomo. Las innovaciones de Hall y Hänsch también se usan en los sistemas GPS cada día más presentes en la vida cotidiana.

Otro aspecto de la espectroscopia láser es estudiar qué les ocurre a los átomos cuando son iluminados por un láser. También a este respecto los científicos premiados han hecho importantes descubrimientos, en particular Hänsch, quien contribuyó a la invención del enfriamiento mediante luz láser. Este método permite preparar átomos a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273,15 grados centígrados), y es una de las herramientas necesarias para formar los condensados de Bose-Einstein (una forma de materia ultra fría, cuya creación mereció el Nobel de Física en 2001.)

Hall nació en 1934 y se doctoró en 1961 en el Carnegie Institute of Technology. Actualmente, trabaja en la Universidad de Colorado, y en el NIST, ambos en EE UU. Hänsch, nacido en 1941, es catedrático en la Ludwig-Maximilians-Universität (Múnich), y director en el Instituto Max-Planck de Óptica Cuántica, en Alemania.

Tanto Hall como Hänsch han mantenido intacta la pasión por trabajar en el laboratorio. Son dos científicos para quienes el máximo placer reside en hacer funcionar las cosas con sus propias manos. En palabras de Hall: "Ya me han premiado con sólo darme la oportunidad de seguir trabajando y poder seguir aportando herramientas útiles". Por su lado, Hänsch, a pesar de ser director de un grupo muy numeroso de científicos, mantiene un laboratorio para su uso personal exclusivo, perfectamente equipado con la última tecnología disponible en el mundo, donde pone a prueba sus ideas. Otra faceta común de Hall y Hänsch es que ambos se aventuraron en crear empresas que comercializan algunas de sus ideas, creando de ese modo riqueza material y puestos de trabajo.

Glauber, Hänsch y Hall son muy queridos por sus colegas científicos. Lo son no sólo por sus fenomenales contribuciones científicas sino también por su energía, su buen talante y por ser fuente de inspiración para las personas que trabajan a su lado. En las apuestas por el Nobel, Glauber, Hall y Hänsch ocupaban los primeros lugares de la lista desde hace un cierto tiempo y hay un consenso muy amplio sobre lo apropiado del premio.

Maciej Lewenstein y Jürgen Eschner son líderes de grupo en el Instituto de Ciencias Fotónicas (ICFO) de Barcelona. Lewenstein trabajó con Glauber como investigador postdoctoral. Eschner manipula átomos individuales, aplicando muchas de las ideas de Hänsch y Hall.