Luz y colores
Elhuyar Fundazioa
El grifo de la bañera gotea. Cae una gota por segundo, formando una pequeña onda en el agua de baño. Una vez creada, la onda se expande hacia las paredes de la bañera formando un círculo cada vez mayor, y una vez que suene la pared vuelve a girar hacia el centro. Pero a la vuelta tiene menos fuerza, la onda viene debilitada. Después de realizar este viaje en dos o tres ocasiones, la onda desaparecerá por completo. Mientras esto ocurre, las nuevas gotas crearán nuevas ondas, con el mismo camino.
La frecuencia de las ondas viene dada por el número de ondas que pasan por un punto por unidad de tiempo. Pensemos que en nuestra bañera sólo cae una gota por segundo, por lo que la frecuencia será 1 onda/segundo. La longitud de onda es la distancia entre los picos de las dos ondas consecutivas. En el ejemplo de baño suponemos 45 cm. En nuestro ejemplo, por tanto, se genera una sola onda por segundo y su distancia con la anterior es de 45 cm. De aquí podemos concluir que estas ondas dan un paso de 45 cm en un segundo y es su velocidad. La velocidad de una onda es, por tanto, el producto de su longitud de onda por su frecuencia.
Las ondas marinas, al igual que las de baño, son bidimensionales, es decir, se propagan en dos dimensiones, es decir, en la superficie del agua. Las ondas sonoras, en cambio, parten de la fuente y se extienden por el espacio, por lo que son tridimensionales. En las ondas sonoras el aire se comprime en la cima de la onda y entre las dos cumbres la densidad del aire es menor. Cuando estas ondas llegan a nuestros oídos, oímos el sonido y el tono de ese sonido nos parecerá más alto cuanto mayor sea la frecuencia de las ondas. Los tonos musicales son un ejemplo de ondas de diferente frecuencia. El tono básico de la central DO, por ejemplo, tiene una frecuencia de 265 ondas/segundo. ¿Cuál es, por tanto, su longitud de onda?. O preguntando lo mismo de otra manera, ¿qué distancia habría entre dos picos si esas ondas fueran visibles?
Para responder a esta pregunta es necesario conocer previamente la velocidad del sonido: la velocidad del sonido en el aire es de 340 metros por segundo a nivel del mar. Al igual que en el caso del baño, la longitud de onda se encuentra dividiendo la velocidad por la frecuencia, obteniendo una longitud de onda de 1,3 metros del tono básico de la central DO.
Por otra parte, el oído humano no es el aparato perfecto para recibir las ondas del sonido. Hay frecuencias demasiado pequeñas (inferiores a 20 ondas por segundo) y demasiado altas (superiores a 20.000 ondas por segundo) que nosotros no podemos recibir. Por tanto, nuestro oído, a pesar de estar perfectamente adaptado, tiene sus limitaciones.
Las ondas de la luz son similares a las del sonido. Ambas son tridimensionales y se pueden medir frecuencia, longitud y velocidad. Pero las ondas de la luz tienen un aspecto curioso: no necesitan ningún tipo de soporte para propagarse. La luz que nos llega desde el sol y las estrellas llega después de un largo viaje por el espacio en el que no hay nada. En este espacio, los astronautas no pueden escucharse si no se utilizan la radio, pero pueden verse sin ningún tipo de trabas.
La frecuencia de la luz que vemos las personas es muy alta: Unos 600 billones de ondas llegan a nuestros ojos en un solo segundo. La longitud de onda de la luz visible es de 0,00005 cm.
Antes hemos mencionado que escuchamos las ondas sonoras de diferentes frecuencias como un tono diferente. Algo parecido ocurre con la luz: las ondas de luz de diferentes frecuencias crean colores diferentes. La frecuencia de la luz roja es de 460 billones de ondas por segundo, mientras que la luz morada es de 710. Cada frecuencia dará un color diferente.
Pero la visión humana también es limitada. Al igual que no oímos sonidos con demasiada o poca frecuencia, hay frecuencias de luz que no podemos ver, es decir, colores que no podemos ver. Algunos tienen más frecuencia que las ondas que nosotros podemos ver (por ejemplo, los rayos gamma, 100 triliones por segundo) y otros son menores (por ejemplo, las ondas de radio). Pasando el espectro de la luz desde las frecuencias más altas hasta las más pequeñas, encontramos rayos gamma, rayos X, luz ultravioleta, luz visible, luz infrarroja y ondas de radio. Todas estas ondas se propagan en el vacío y cada una es un tipo de luz diferente, al igual que la luz visible normal.
La luz visible es la única luz visible para las personas. Si nuestros cuerpos tuvieran la capacidad de transmitir y recibir ondas de radio o rayos X, podríamos comunicarnos a largas distancias y explorar cosas muy pequeñas. ¿Por qué nuestros ojos no han evolucionado hacia esa dirección? A continuación intentaremos explicarlo.
Cualquier material puede absorber luz de determinadas frecuencias, pero no de otras. Cada sustancia tiene sus propias aficiones. Algunas frecuencias, como los rayos gamma, son absorbidos por todo tipo de materiales. Como consecuencia, la luz gamma no puede realizar viajes largos: todos los objetos son absorbidos por el aire, por lo que desaparece tras recorrer unos metros. Los rayos gamma que emite el Sol no tienen acceso a la Tierra, ya que en la atmósfera que encuentran en su camino quedan absorbidos. La Tierra, por tanto, es totalmente oscura para los rayos gamma.
Algo parecido ocurre con los rayos X y la mayoría de las frecuencias de luz ultravioleta e infrarroja. Por el contrario, la absorción de la luz visible es mucho menor en la mayoría de los materiales. Por ejemplo, el aire es generalmente transparente para la luz visible. En el caso del "smog" o contaminación de este tipo, estas pequeñas partículas en el aire absorben parte de la luz visible y reflejan otra, por lo que vemos el aire coloreado en estos casos. Este es el fenómeno que da a Bilbao un color pardo-conocido.
La luz que nos servirá para nosotros, tiene necesariamente que poder expandirse a través de la atmósfera sin ser absorbida. Los rayos gamma presentan una baja usabilidad debido a su rápida absorción. Una gran proporción de la energía emitida por el Sol es del tipo de luz visible. Por lo tanto, esta sería otra razón para adaptar nuestros ojos a esta luz y no a la de otras frecuencias.
Veamos ahora qué son los colores. Cuando la luz llega a cualquier planta verde, las frecuencias rojas y azules quedan absorbidas, mientras que el verde se refleja. Por eso a nosotros nos parece que esa planta es verde.
Se pueden hacer gráficas analizando la proporción de luz que refleja cada color. Cualquier objeto que absorba la luz roja y refleje la azul, será azul para nosotros. Vemos algo blanco cuando refleja todos los colores aproximadamente en la misma medida. Pero esto también sirve para el color gris y negro. La diferencia entre el blanco y el negro no radica en la frecuencia de luz reflejada, sino en la proporción luminosa que se refleja.
El objeto más brillante que conocemos es, sin duda, una nieve preciosa. Pero sólo refleja el 75% de la luz. En el otro extremo estaría el balus o el tertziopelo negro, que sólo refleja una pequeña proporción de la luz que le ataca.
Por tanto, decir que dos cosas son tan diferentes como la blanca y la negra, al menos desde este punto de vista no tiene mucho sentido, porque la blanca y la negra son lo mismo. La diferencia está en la proporción de la luz que no absorben o reflejan, y no en el color.
Los vivos utilizan los colores para absorber la luz solar y producir energía mediante la fotosíntesis, para recordar a sus padres dónde tienen la boca, para atraer la atención de los insectos, para ocultarlos, etc. largo. Todo ello se debe a la naturaleza de la luz, a la física de las estrellas, a la química del aire y al proceso evolutivo.
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