El año internacional de la luz

Dr. Lluís Gustems Romeu. Servició para la Prevención de la Contaminación Luminosa de la Generalidad de Cataluña.


El próximo año, 2015, ha sido declarado “AÑO INTERNACIONAL DE LA LUZ” por la ONU y por la UNESCO. Resolución 68/221 de la Asamblea General de las Naciones Unidas de 20 de diciembre de 2013. Las Naciones Unidas han reconocido la importancia de aumentar la concienciación de las personas sobre las tecnologías basadas en la luz. El conocimiento de la luz es una disciplina transversal imprescindible en la ciencia del siglo XXI, tiene un papel vital en nuestra vida cotidiana y ofrece soluciones al desarrollo sostenible, a los problemas de energía y a la salud.

La celebración del AÑO INTERNACIONAL DE LA LUZ es una oportunidad para concienciar a la sociedad de la importancia que tienen las ciencias de la luz en la vida de las personas, con el fin de avanzar en la resolución de los problemas que plantea la tecnología de la luz, dado que la luz es una energía básica e imprescindible para que haya vida en el planeta Tierra.

Las ciencias de la luz abordan muy distintos ámbitos científicos, técnicos y sociales, como la salud, el medio ambiente, las comunicaciones, la economía, la energía, etc.

Al-Haytham. Dibujo de Iragi Dinar

Aniversarios relevantes

En el año 2015 se cumplen aniversarios de científicos relevantes que han aportado contribuciones fundamentales en la comprensión de la naturaleza de la luz, entre los que destacan; Ibn Al-Haytham, Galileo Galilei, August Fresnel, James Clerk Maxwell, Albert Einstein, Arno Penzias, Bob Wilson y Charles K. Kao.

Hace un milenio que el gran científico Ibn Al-Haytham (Alhazen es su nombre latinizado) publicó en el año 1015 el primer tratado de óptica llamado Kitab al Manathir, el cual está dedicado a la fisiología del ojo, teoría de la percepción y propone teorías físicas de óptica comprobadas con aparatos científicos y resultados experimentales; entre sus muchas aportaciones demostró que el ojo recibe la luz reflejada por los objetos, contradiciendo el conocimiento clásico de su tiempo, introdujo el concepto de refracción atmosférica, experimentó sobre la dispersión de la luz y desarrolló fórmulas matemáticas para explicar la reflexión de la luz en espejos curvos, etc. También escribió y aportó conocimientos sobre cosmología, observación astronómica, cálculos para determinar los meridianos, aplicaciones para conocer la dirección de la Meca y para diseñar relojes de sol.

Hace 400 años Galileo Galilei, considerado el padre de la astronomía moderna,  construyó el primer telescopio astronómico y vislumbró por primera vez los cráteres lunares, cuatro lunas que orbitan en Júpiter, las fases de Venus, los anillos de Saturno, etc.

En 1815, hace 2 siglos, August Fresnel estudió teórica y experimentalmente el comportamiento de la luz y descubrió el carácter ondulatorio de la luz.

En 1865, hace 150 años, James Clerk Maxwell desarrolló la teoría electromagnética clásica y formuló la teoría electromagnética de la propagación de la luz. Las ecuaciones de Maxwell demostraron que la luz, electricidad y el magnetismo son manifestaciones del mismo fenómeno.

Albert Einstein en 1947. Fotografía de Oren Jack Turner, Princeton N.J.

En 1915, hace un siglo, Albert Einstein desarrollo la teoría de la relatividad, con la que demostró que la luz estaba en el centro de la estructura espacio tiempo, su idea central de que el espacio y el tiempo son dinámicos e influenciados por la presencia de la materia o la energía y también formuló explicaciones sobre el efecto fotoeléctrico.

En 1965, hace 50 años, los astrónomos Arno Penzias y Bob Wilson descubrieron el fondo cósmico de microondas, un eco electromagnético del origen del universo (Bing Bang). Con el paso del tiempo la luz primigenia de alta energía se ha enfriado y debilitado de manera que hoy se detecta en forma de microondas. Se puede encontrar información sobre la luz cósmica en la International Astronomical Union (www.iau.org).

En 1965, Charles K. Kao descubrió que el vidrio de sílice de alta pureza es un material ideal para la comunicación óptica de largo alcance y sentó las bases experimentales de la fibra óptica en el laboratorio de la Standard Telecommunications Laboratory del Reino Unido, por lo cual es conocido como el “padre de la fibra óptica”. (http://www.goforich.co.uk/c_kao/recent.html).

Hechos sobre la luz

La luz apareció en nuestro universo hace unos 13.400 millones de años, unos 0,3 millones de años después del Bing Bang, cuando su plasma original formado por quarks y gluones se enfrió a una temperatura inferior a 4.000 grados y se formaron los electrones, núcleos y átomos neutros y los fotones pudieron viajar por el universo.

El sistema solar se formó hace unos 4.600 millones de años y es la fuente de energía más importante de la Tierra.

Hace 3.500 millones de años apareció en la tierra un organismo llamado LUCA (last universal common ancestro) o sea el último antepasado común universal del cual descienden todos los seres vivos actuales. Thomas Cavalier Smith postula que LUCA fue una Negibacteria fotosintética anoxigénica. La fotosíntesis permite a las plantas verdes convertir la energía de la luz solar en energía química que se incorpora a la biosfera.

La humanidad dispone de luz artificial desde hace unos 1,5 millones de años en que dominó el fuego.

La luz nos ha ayudado a ver, conocer y entender mejor el universo, a través de ella la astrofísica descubre y avanza en el descubrimiento del cosmos.

Imagen del campo ultra profundo desde el telescopio Hubble. Fuente: hubblesite.org/newscenter/archive/releases/2004/07/image/a/warn

El ojo es el órgano sensorial que nos permite ver la luz y experimentar el mundo natural, como las puestas de sol, el arco iris, la aurora boreal, los azules del mar, los verdes de las plantas o la gran variedad de colores de los animales. La óptica y las tecnologías fotónicas han desarrollado dispositivos sofisticados como la tomografía de coherencia óptica, la foto refracción, las técnicas LASIK, etc., instalaciones que se utilizan para examinar y corregir la visión del ojo desde las simples lentes hasta la corrección de la visión por láser, la terapia foto dinámica, los implantes de retina que permiten que vean los ciegos, las ayudas a la baja visión, etc.
 
Todas las culturas del mundo han utilizado la luz, los artistas se sirven del brillo y la sombra y variedad de colores para crear belleza o para expresar distintos estados anímicos. El arte ha utilizado la luz como elemento esencial para su expresión, iluminar vidrieras o vitrales, la reflejada por superficies pintadas y las fuentes de luz artificial en la fotografía, la cinematografía, el teatro, la danza, la iluminación arquitectónica, etc.

La Agencia Internacional de la Energía (International Energy Agency, www.iea.org/) informa que la iluminación artificial consume el 20% de la electricidad mundial. La capacidad de iluminar con eficacia los espacios en que se realizan actividades humanas está muy relacionada con el desarrollo de la sociedad. Es esencial hacer un uso de la iluminación adecuada, eficiente y respetuosa con el entorno, la que puede mejorar la calidad de vida y la productividad de las personas, proporcionar seguridad, protección, acceso a la educación, embellece el paisaje, etc.

La Comisión Internacional de la Iluminación (CIE, www.cie.co.at) se dedica a la cooperación mundial y al intercambio de información sobre los asuntos relacionados con la ciencia, tecnología y arte de la iluminación.

La asociación Internacional Dark Sky (www.darksky.org) promueve la idea de que sólo se debe usar la luz cuando sea necesaria, con la finalidad de minimizar la contaminación lumínica provocada por el uso inadecuado de iluminación artificial, dado que dicha contaminación degrada el medio ambiente y despilfarra energía.

La asociación Ligth Up the Wolrd (www.lutw.org) informa que en el mundo hay actualmente 1.300 millones de personas que utilizan el queroseno para disponer de luz artificial, cuya combustión provoca cada año la muerte prematura de 1,5 millones de personas. La inhalación de humo del queroseno induce en decenas de millones de personas enfermedades respiratorias como el asma, la bronquitis, la neumonía y cáncer.

Tecnologías a destacar

Las tecnologías basadas en la luz tienen un impacto importante en la economía mundial, valoradas en unos 300.000 millones de euros y en el 2020 será de unos 600.000. La industria fotónica (www.photonic21.org) es cada vez más importante y ha experimentado un gran crecimiento entre 2005 y 2011, periodo en que se ha doblado su incidencia en el PIB mundial

El programa de la UE Horizonte 2020 dispone de 80.000 millones de euros (entre 2014 y 2020) y es el instrumento financiero de la Unión que moviliza recursos públicos y privados para implementar la innovación en tecnologías de la luz con el objetivo de favorecerlas e incentivar el crecimiento económico creando empleos de calidad.
http://www.photonics21.org/downloa/News/PhotonicsandTOLAEinHorizon2020.pdf

La fotónica

La fotónica es la ciencia de la generación, control y detección de fotones. La palabra fotónica apareció alrededor de 1960 cuando Theodore Maiman invento el láser y se descubrieron los primeros semiconductores emisores de luz. La fotónica utiliza fotones de una  amplia zona de longitudes de onda del espectro electromagnético, desde los rayos gamma (λ de 10-12 m) a las ondas de radio (λ de 103 m), incluyendo los rayos X, ultravioleta, visible, infrarrojo y microondas.

Los fotones tienen muy diversas aplicaciones, entre ellas, la exploración del universo (astronomía, estudios espaciales), la salud (instrumentos médicos para el diagnostico, curación de enfermedades, cirugía del ojo, etc.), la industria manufacturera (corte y mecanizado por láser), las telecomunicaciones (Internet, almacenaje y comunicación de datos), la electrónica de consumo (escáneres, impresión láser, lectores de DVD, control remoto), las industrias de defensa y seguridad (cámara de infrarrojos, sensores remotos), la obtención de energía mediante fusión, el entretenimiento (halografías, espectáculos láser, etc.).

Energía solar

La energía solar que recibe la Tierra es un recurso natural inagotable que puede ser aprovechado por la humanidad. Esta energía se aprovecha en forma de calor y electricidad y permite avanzar en un desarrollo social sostenible, en la reducción de la contaminación ambiental y en la mitigación del cambio climático. Actualmente las tecnologías más utilizadas para aprovechar la energía solar son la térmica solar, la fotovoltaica y la electricidad térmica solar, las cuales según la ONU pueden llegar a proporcionar en un futuro próximo (2060) un terció de la energía necesaria del mundo.
http://www.seia.org/research-resources/solar-industry-data

La arquitectura solar pasiva se utiliza para crear espacios bien iluminados con temperaturas confortables, a partir de diseñar los edificios con la orientación adecuada según el clima de la zona y los usos a que se destinan y con los materiales que permitan conservar la energía.

En la agricultura y horticultura se utilizan normalmente los invernaderos para mejorar la productividad y en la industria del automóvil se desarrollan aplicaciones solares para reducir el consumo de los coches.  
    
La comunicación

Internet es un conjunto descentralizado de redes de comunicación interconectadas de alcance mundial, que permite conectar a las personas de todo el mundo de la manera más eficaz y viable de toda la historia y favorece que se desarrollen muchas comunicaciones interpersonales con unos bajos costes económicos y ambientales (telefonía de bajo coste, medios y redes sociales, videoconferencias, mensajes de texto, sensores, sistemas de seguridad, etc.).

Las fibras ópticas están hechas de sílice o plásticos y son filamentos extremadamente finos (anchos como los cabellos humanos), flexibles y transparentes y se utilizan en las telecomunicaciones; los filamentos permiten la transmisión de la luz a largas distancias de un extremo a otro sin pérdidas significativas de la señal y sin interferencias electromagnéticas. Estas fibras tienen muchas aplicaciones en teledetección y pueden utilizarse como sensores para medir la tensión, temperatura, presión y otras cualidades que modifiquen la fibra (intensidad, fase, polarización, longitud de onda o velocidad).

Láser verde, azul y rojo. Fuente: es.wikipedia.org/wiki/Archivo:Lasers.jpeg

El láser

Un Láser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) es un amplificador óptico que refuerza la emisión estimulada de radiación, o sea que es un dispositivo para generar un haz de luz coherente tanto espacial como temporalmente. La luz láser es un haz de gran intensidad y de longitud de onda específico. La coherencia espacial hace que el haz sea muy compacto y permite que se transmita a muy largas distancias y la coherencia temporal se relaciona con la capacidad para concentrar la emisión en un rango espectral muy estrecho.

El láser es utilizado en industrias de telecomunicaciones (Internet), diagnósticos médicos (detección del cáncer), manufacturas, medio ambiente (fuentes limpias de energía, detección de substancias), investigación científica básica, exploración espacial (agujeros negros), entretenimiento, etc. El láser tiene la capacidad de concentrar una alta potencia energética en una superficie muy pequeña, y por tanto permite que el dispositivo actúe como un bisturí de precisión en medicina o para cortar placas gruesas de materiales como el acero.

Esquema de un sincrotrón. Fuente: © EPSIM 3D/JF Santarelli, Synchrotron Soleil

El sincrotrón

El sincrotrón es un tipo de acelerador de partículas en que los corpúsculos se mantienen en una órbita cerrada. En 1946 se construyó el primer sincrotón en Berkeley (EEUU) y en el 1956 en Cornell (EEUU) se llevaron acabo los primeros experimentos utilizando las radiaciones que emite el aparato, lo que permitió estudiar estructuras 10.000 veces más pequeñas que un microscopio tradicional. www.lightsources.org

La radiación del sincrotón se produce cuando los electrones, que de forma natural viajarían en línea recta, cambian de dirección alrededor del anillo del sincrotrón, al ser manipulados por los campos magnéticos de los llamados imanes curvadores.

La radiación del sincrotón es una técnica de análisis de gran sensibilidad y precisión con resolución espacial inferior a una micra y permite conservar la muestra analizada sin necesidad de destruirla. Esta radiación puede ser de rayos X para sondear la estructura atómica, de luz ultravioleta para estudiar reacciones químicas, de infrarrojos para estudiar las vibraciones atómicas en las moléculas y de radiaciones de terahercios (1012 Hz) para conocer la estructura electrónica.

El sincrotón permite estudiar los constituyentes fundamentales de la materia y su radiación permite explorar las propiedades de todo tipo de materiales orgánicos e inorgánicos, utilizando técnicas como la espectroscopía, dispersión, difracción y microscopía. Se ha aplicado para conocer la estructura y las funciones de las proteínas a nivel molecular y entender el origen de las enfermedades y desarrollar agentes para su tratamiento; ha permitido avances importantes en la investigación del genoma de los seres humanos, en biotecnología para recombinar proteínas y también en medicina (enfermedades de Creutzfeld-Jacob-Desease, Alzheimer, encefalopatía espongiforme bovina, etc.).

También se utiliza en investigación y desarrollo para producir energía, en ciencias ambientales (determinación de substancias ultra diluidas y en identificación, seguimiento, vigilancia y predicción de contaminantes), en tecnologías sanitarias (estructura de moléculas biológicas en 3D, nuevos fármacos), en ciencia de los materiales (cristalografía macromolecular, ensayos in situ de nuevos materiales para modelizar la deformación, las grietas y la corrosión) y en tomografía computarizada tridimensional aplicada en paleontología, arqueología, historia del arte y ciencias forenses.

 
 
Comité Español de Iluminación