ley de Malus

La luz que nace cuando un electrón rápido penetra en un material suele considerarse igual en todas direcciones. Pero en cristales donde las propiedades ópticas dependen de la orientación, no es así. Pasa la mano sobre el terciopelo: en un sentido es suave y brillante, en el otro, oscuro y áspero. Del mismo modo, un cristal reacciona a la luz de manera distinta según cómo esté orientado.

Un láser golpea un átomo y arranca un electrón. Cuanto más brillante es la luz, más fuerte es el empujón y más rápido sale el electrón. Así funciona la imagen habitual, donde la luz es una onda uniforme. Pero, ¿y si la luz no es uniforme, sino 'comprimida', con fluctuaciones cuánticas, como el temblor de una cuerda?

Una batería solar de perovskita es como una atleta joven: al principio rinde excelente, pero con la edad se cansa. En ocho horas, sus características caen notablemente, y no hay causas visibles como grietas o polvo. Los científicos tomaron una batería y registraron lecturas a los 0, 90, 280 y 480 minutos de vida.

Cuando dos núcleos pesados chocan en un acelerador, nace una diminuta bola de fuego de plasma de quarks y gluones (un estado especial de la materia en el que los quarks y los gluones no están confinados dentro de las partículas). Esta se expande y se enfría, y las partículas que emergen a menudo resultan "giradas": sus espines se alinean a lo largo de la dirección del haz.

En la pared, franjas claras y oscuras. Así es la luz que se cancela a sí misma. Ya en el siglo XVII, Christiaan Huygens supuso que la luz es una onda. Pero solo los experimentos de Arago y Fresnel a inicios del XIX demostraron que dos haces producen esas franjas únicamente si sus vibraciones están en el mismo plano.

La luz en una lente cambia de dirección, eso lo sabe todo el mundo. Las ondas gravitacionales, al pasar cerca de un cuerpo masivo, también curvan su trayectoria.

Una onda de luz se parece a una cuerda que se sacude: vibra en un plano determinado. Esa propiedad, la polarización, revela la forma y la composición de los objetos. Pero captarla no es fácil, sobre todo si se quiere abarcar una amplia gama de colores. Normalmente se necesitan sistemas voluminosos de lentes y filtros.

Las ondas gravitacionales son el temblor del propio espacio-tiempo. Normalmente solo captamos su zumbido general, pero cada onda también tiene una dirección de oscilación: la polarización. Los mapas antiguos se construían solo con la intensidad de la señal, lo que provocaba errores.

Dos láminas finísimas, cada una de un solo átomo de grosor, se colocan una sobre otra y se giran ligeramente. Como dos hojas de papel de calco de colores: mientras están alineadas, la imagen es una, pero en cuanto se gira una, aparece un patrón muaré. Aquí, claro, el patrón no se ve a simple vista, pero cambia por completo la forma en que el material interactúa con la luz.

El haz de una linterna se desliza sobre un vidrio irregular. El vidrio son los cúmulos masivos de galaxias, y la linterna es la luz antigua nacida poco después del Big Bang. Al pasar cerca de estos cúmulos, la luz no solo los rodea como el agua rodea una piedra.

Cuando dos agujeros negros se fusionan, sacuden el propio tejido del espacio-tiempo. El nuevo gigante no se calma al instante: resuena como una campana cósmica, emitiendo el patrón característico de ondas gravitacionales amortiguadas, el llamado ringdown.

El universo no es un vacío, sino una enorme esfera de cristal, atravesada por fronteras invisibles: paredes de dominio, congeladas después de transiciones de fase.

Una gota de agua en un campo eléctrico intenso se alarga. El núcleo del deuterio, un par ligado de protón y neutrón, se comporta de manera similar, solo que aquí el campo lo crea un fotón gamma que pasa, y en lugar de estirarse, el núcleo puede simplemente romperse.

En las profundidades del cosmos, una estrella de neutrones que gira rápidamente, un púlsar apodado Faro, se desplaza a toda velocidad a través del gas enrarecido. Como una lancha que corta el agua, deja tras de sí una estela luminosa de partículas cargadas.

En una habitación oscura, el haz de una linterna arranca de la penumbra solo una franja estrecha. De manera similar, Roger Penrose propuso mirar las ondas gravitacionales —esa ondulación del espacio-tiempo que viaja a la velocidad de la luz—.

La luz emitida por capas delgadas de semiconductores puede estar polarizada: sus ondas oscilan en un mismo plano. Antes se pensaba que la dirección de oscilación la fijaba la iluminación de la muestra.

Si iluminas un cristal de FePS3, este responde con su propia luminiscencia, como un letrero de neón, pero mucho más débil y en el rango infrarrojo. Esta luminiscencia no es aleatoria: depende de cómo esté orientado el cristal.

La luz ordinaria se dispersa en todas direcciones, como el agua de un vaso roto. Pero en algunos cristales, las ondas de luz logran agruparse en haces estrechos y fluir en una sola dirección, como el agua en un canal. Los físicos han estudiado un material así: el óxido de vanadio laminar α-V2O5. En este cristal, los átomos vibran de manera diferente a lo largo y a lo ancho de las capas.

Una lámina ordinaria de fósforo negro se parece a un pastel de capas de átomos. Si la iluminas con una lámpara común, no ocurre nada especial: los electrones permanecen quietos, como espectadores en una sala oscura. Pero un destello láser corto, que dura millonésimas de milmillonésima de segundo, sacude esa sala.

Durante una tormenta, el cielo funciona como una gigantesca batería: en la nube se acumula carga eléctrica y el rayo la descarga. Esa carga es invisible, pero la detectan las partículas cósmicas: los muones, que llueven constantemente sobre la Tierra desde el espacio.

Se puede hacer que un haz de luz parezca una flor con varios pétalos. Si se hace pasar ese haz a través de una nube de átomos fríos de rubidio y se enciende un campo magnético, los pétalos comienzan a girar. El ángulo de giro está directamente relacionado con la intensidad del campo.

La luz del Sol normalmente no está polarizada: sus ondas oscilan en todas direcciones, como una multitud donde cada uno agita los brazos como quiere. Pero el 3 de mayo de 2023, astrónomos en Locarno (Suiza) notaron que durante una llamarada la luz del helio se volvía ordenada: las ondas se alineaban en una sola dirección, como soldados en un desfile.

Una estrella de neutrones del tamaño de una ciudad gira más rápido que una batidora de cocina y lanza partículas a su alrededor. A su alrededor se forma una nube luminosa, denominada halo de púlsar. La forma de esta nube depende de los campos magnéticos invisibles que, como las corrientes oceánicas, dirigen las partículas.

El Sol no es una esfera tranquila. En su interior no dejan de viajar ondas, como en una campana después del golpe. Esas oscilaciones afloran a la superficie y delatan lo que ocurre en la cara oculta, invisible. Los astrónomos llevan tiempo sabiendo «escuchar» ese tañido y localizar grandes grupos de manchas.

El púlsar de rayos X Centaurus X-3 es una estrella de neutrones que gira rápidamente y emite pulsos de luz de rayos X, como un faro. Los científicos apuntaron hacia él tres telescopios espaciales y estudiaron la polarización de la radiación, es decir, cómo oscila el campo eléctrico de la onda de luz.

La luz, al atravesar un cristal delgado, puede cambiar de color y de dirección de vibración. En una lámina de disulfuro de molibdeno de unos cientos de átomos de grosor, un rayo infrarrojo se convierte en verde, y su polarización —es decir, cómo vibra la onda de luz— obedece a la geometría del cristal.

En un enorme acelerador de partículas, donde protones a velocidades cercanas a la de la luz chocan contra un blanco de neón, nacen los bariones encantados: partículas que viven menos de una milmillonésima de segundo.

En la oscura nube L43, donde nacen las estrellas, las partículas de polvo giran como pequeñas brújulas. La luz de una estrella joven las empuja, y el campo magnético las alinea en una dirección concreta. Cuando un grano de polvo está orientado de lado, su calor nos llega polarizado, como la luz que atraviesa una rendija estrecha.

La luz de la estrella HD 163296 atraviesa el disco de gas y polvo que la rodea, como el haz de una linterna a través de agua turbia. Las partículas del disco dispersan la luz y esta adquiere una propiedad especial: la polarización. Las ondas comienzan a oscilar en un solo plano, como una cuerda que se agita estrictamente hacia arriba y hacia abajo.

La radiación terahercio se encuentra entre las microondas y la luz infrarroja. Atraviesa la ropa, el papel y el plástico, pero es bloqueada por el agua y los metales. Por eso, estas ondas se utilizan en escáneres de seguridad y en el control de calidad de materiales.

Un haz de luz con polarización circular incide sobre un cristal de perovskita MAPbI3. Los electrones dentro del cristal comienzan a comportarse como pequeñas peonzas cuyos ejes se alinean a lo largo del haz. Este fenómeno se conoce como orientación óptica de espines.

Una onda de luz se parece a una multitud donde cada persona agita una bandera en una dirección distinta. Para que esa multitud atraviese un pasillo estrecho sin perder el orden, se necesitan guías. En la fibra óptica, el papel de guía lo desempeña la polarización: la dirección estricta de las oscilaciones de la onda de luz.

Un balón de fútbol golpeado con efecto no vuela en línea recta, sino que curva su trayectoria hacia un lado. Algo similar ocurre con un rayo de luz cuando se enfoca intensamente: comienza a empujar el átomo no solo hacia adelante, sino también hacia un lado. Los físicos han medido este desplazamiento en un solo ion de calcio atrapado en una trampa de luz.

La luz de galaxias lejanas atraviesa las lentes de un telescopio como a través de una pila de cristales de ventana. Cada cristal está cubierto con una fina película para reducir los reflejos. Pero esta película actúa como un filtro polarizador: una componente de la onda de luz pasa un poco más libremente, la otra un poco peor.

La luz que viaja por una fibra óptica se parece a una multitud en un pasillo estrecho: cada fotón sigue su propio camino, y si los caminos se mezclan, a la salida hay un caos.

Un agujero negro no solo engulle materia: como un remolino cósmico gigante, curva el propio tejido de la realidad y hace que los rayos de luz la rodeen, enfocándolos. El efecto es aún más fuerte en los agujeros negros que giran casi a la velocidad de la luz: su rotación retuerce el espacio en una espiral apretada.

En 1976, el físico canadiense Bill Unruh planteó una pregunta sencilla: ¿qué ve un observador que se acelera en el vacío? La respuesta resultó extraña: el vacío deja de estar vacío. El observador acelerado se baña en radiación térmica con una temperatura proporcional a la aceleración.