Capítulo 2

# ¿Cómo funciona la física?

## ¿Cómo funciona un láser?

Un láser, a pesar de su apariencia a menudo simple, es una maravilla de la ingeniería que se basa en principios fundamentales de la física cuántica. Su funcionamiento se puede desglosar en varios pasos clave, comenzando con la excitación de átomos. En el corazón de cualquier láser se encuentra un material activo, que puede ser un sólido (como el rubí), un gas (como el helio-neón) o un líquido. Este material está compuesto por átomos o moléculas que poseen electrones en sus órbitas. Para que el láser funcione, estos electrones deben ser "bombeados" a un nivel de energía superior, un proceso conocido como excitación. Este bombeo se logra mediante una fuente de energía externa, como una lámpara de destello, otra fuente láser o incluso electricidad.

Una vez que los electrones de los átomos del material activo han sido excitados a un estado de mayor energía, permanecen en este estado de forma temporal. Sin embargo, tienden a regresar a su estado de energía original, liberando la energía sobrante en forma de fotones, que son partículas de luz. Lo crucial aquí es que, bajo las condiciones adecuadas, este proceso puede volverse emisión estimulada. Si un electrón excitado se encuentra con un fotón que tiene la energía exacta para provocar su transición al estado inferior, el electrón liberará un segundo fotón. La característica más asombrosa es que este segundo fotón es idéntico al primero: posee la misma energía, la misma frecuencia, la misma fase y viaja en la misma dirección.

Esta emisión estimulada es la base de la amplificación de luz. Imaginemos un gran número de átomos en un estado excitado, conocido como inversión de población. Cuando un solo fotón interactúa con uno de estos átomos, se produce un segundo fotón idéntico. Estos dos fotones, a su vez, pueden interactuar con otros átomos excitados, generando más fotones, y así sucesivamente. Este proceso exponencial crea una cascada de fotones idénticos, multiplicando la luz coherente. Para que este proceso sea eficiente, se utilizan cavidades ópticas resonantes.

La cavidad óptica está formada típicamente por dos espejos colocados en los extremos del material activo. Uno de los espejos es casi completamente reflectante, mientras que el otro es parcialmente reflectante, permitiendo que una pequeña parte de la luz escape. Los fotones generados en la cavidad rebotan entre estos espejos, viajando de ida y vuelta a través del material activo. En cada pasada, interactúan con más átomos excitados, amplificando la luz. Solo los fotones que viajan exactamente paralelos al eje de la cavidad son los que se reflejan repetidamente y se amplifican significativamente. Los fotones que se desvían de esta trayectoria son rápidamente perdidos y no contribuyen a la amplificación.

Finalmente, la luz amplificada que se ha acumulado dentro de la cavidad sale a través del espejo parcialmente reflectante. Lo que emerge es un haz de luz altamente colimado, lo que significa que sus rayos son casi paralelos y no se dispersan significativamente con la distancia. Además, la luz es monocromática (tiene una sola longitud de onda o color) y coherente (todos los fotones están en fase). Estas propiedades son las que hacen que los láseres sean tan útiles en una amplia variedad de aplicaciones, desde la lectura de códigos de barras y la cirugía hasta la investigación científica y la transmisión de datos. La energía de un fotón, que es la base de toda esta magia, se describe mediante la ecuación de Planck:

$E = hf$

Donde $E$ es la energía del fotón, $h$ es la constante de Planck, y $f$ es la frecuencia de la luz.

## ¿Cómo funciona un telescopio?

Un telescopio es una herramienta fascinante que nos permite observar objetos celestes distantes, revelando la vastedad del universo. Su funcionamiento se basa en principios fundamentales de la óptica y la física de la luz. Básicamente, un telescopio recolecta la luz de un objeto lejano y la enfoca para formar una imagen ampliada.

Existen dos tipos principales de telescopios: los refractores y los reflectores. Los telescopios refractores utilizan lentes para desviar la luz. Cuando la luz atraviesa una lente convexa, sus rayos se curvan hacia un punto focal, creando una imagen. La distancia entre la lente principal (objetivo) y el punto donde se forma la imagen es crucial para la magnificación. La fórmula para la magnificación angular ($M$) de un telescopio refractor es:

$M = \frac{f_{objetivo}}{f_{ocular}}$

donde $f_{objetivo}$ es la distancia focal del objetivo y $f_{ocular}$ es la distancia focal del ocular.

Por otro lado, los telescopios reflectores emplean espejos para recoger y enfocar la luz. Un espejo cóncavo grande, llamado espejo primario, recoge la luz de los objetos celestes y la refleja hacia un punto focal. Luego, un espejo secundario redirige esta luz hacia el ocular. La ventaja de los reflectores es que los espejos no sufren de la misma aberración cromática que las lentes, un fenómeno donde la luz blanca se descompone en sus colores constituyentes al pasar por una lente, creando halos de color alrededor de los objetos.

Independientemente del tipo, la apertura del telescopio es un factor determinante en su rendimiento. La apertura se refiere al diámetro de la lente principal (en refractores) o del espejo primario (en reflectores). Una mayor apertura permite recolectar más luz, lo que resulta en imágenes más brillantes y detalladas, especialmente para objetos tenues como galaxias o nebulosas. La capacidad de un telescopio para resolver detalles finos está directamente relacionada con su apertura, según el criterio de Rayleigh:

$\theta \approx \frac{1.22 \lambda}{D}$

donde $\theta$ es la resolución angular, $\lambda$ es la longitud de onda de la luz, y $D$ es el diámetro de la apertura.

La magnificación es la capacidad de un telescopio para hacer que un objeto parezca más cercano. Se logra ajustando el ocular, que es una lente pequeña colocada cerca del ojo. Un ocular con una distancia focal más corta produce una mayor magnificación. Sin embargo, la magnificación útil de un telescopio tiene un límite, determinado por su apertura y la calidad de las ópticas. Una magnificación excesiva, más allá de la capacidad del telescopio, solo resulta en una imagen borrosa y oscura, sin revelar más detalles.

## ¿Cómo funciona un microscopio?

Un microscopio, esa ventana a lo diminuto, opera gracias a un principio fundamental de la física: la refracción de la luz. Imagina la luz como una onda que viaja. Cuando esta onda atraviesa un medio de diferente densidad, como el vidrio de una lente, cambia de dirección. Las lentes de un microscopio están cuidadosamente curvadas para concentrar o dispersar la luz de una manera específica, magnificando así la imagen de un objeto. Este fenómeno de desviación de la luz al pasar de un medio a otro es la base de cómo un microscopio puede revelar detalles invisibles a simple vista.

El corazón del microscopio son sus lentes objetivas y oculares. La lente objetivo, situada cerca de la muestra, es la primera en interactuar con la luz que atraviesa o se refleja en ella. Esta lente produce una primera imagen magnificada del objeto. Luego, la luz viaja hasta la lente ocular, donde el observador coloca su ojo. La lente ocular actúa como una lupa, magnificando aún más esta imagen intermedia para crear la imagen final que vemos, ahora mucho más grande. La calidad y el diseño de estas lentes son cruciales para la potencia y claridad de la amplificación.

La potencia de un microscopio se describe mediante su aumento total, que es el producto del aumento de la lente objetivo y el aumento de la lente ocular. Si una lente objetivo tiene un aumento de 10x (diez veces) y una lente ocular tiene un aumento de 15x, el aumento total será de $10 \times 15 = 150x$. Sin embargo, la resolución es igualmente importante, ya que determina la capacidad del microscopio para distinguir entre dos puntos cercanos como entidades separadas. Una alta resolución permite ver detalles finos sin que se fusionen en una sola masa borrosa.

La física detrás de la resolución se relaciona con la longitud de onda de la luz ($\lambda$) y la apertura numérica (NA) de la lente. La resolución ($ d $) se puede estimar con la fórmula de Abbe:

$d = \frac{\lambda}{2 \times NA}$

Donde un valor de $ d $ menor indica una mejor resolución. Esto significa que para ver objetos más pequeños, se necesita una luz de menor longitud de onda (como la luz azul o ultravioleta) o una lente con una mayor apertura numérica, lo que permite capturar un ángulo más amplio de luz dispersada por el objeto. Los microscopios avanzados, como los electrónicos, utilizan haces de electrones en lugar de luz visible, ya que los electrones tienen longitudes de onda mucho más cortas, permitiendo resoluciones extraordinariamente altas.