Física de lo imposible (8 page)

Aunque quizá sea difícil de creer, el hecho es que no hay ningún límite físico a la cantidad de energía bruta que puede acumularse en un haz de luz. No hay ninguna ley de la física que impida la creación de una Estrella de la Muerte o de sables luminosos. De hecho, haces de radiación gamma que destruyen planetas existen en la naturaleza. La titánica ráfaga de radiación procedente de un lejano estallido de rayos gamma en el espacio profundo crea una explosión solo superada por el propio big bang. Cualquier planeta que desafortunadamente esté dentro de la diana de un estallido de rayos gamma será incinerado o reducido a pedazos.

El sueño de dominar haces de energía no es realmente nuevo, sino que está enraizado en la mitología y el folclore antiguos. El dios griego Zeus era famoso por arrojar rayos sobre los mortales. El dios nórdico Thor tenía un martillo mágico, Mjolnir, que podía desprender rayos, mientras que el dios hindú Indra era conocido por disparar haces de energía desde una lanza mágica.

La idea de utilizar rayos como un arma práctica empezó probablemente con la obra del gran matemático griego Arquímedes, quizá el científico más importante de la Antigüedad, que descubrió una cruda versión del cálculo infinitesimal hace dos mil años, antes de Newton y Leibniz. Arquímedes sirvió en la defensa del reino de Siracusa en una batalla legendaria contra las fuerzas del general romano Marcelo durante la segunda guerra púnica, en el 214 a.C. Se dice que creó grandes baterías de reflectores solares que concentraban los rayos del Sol en las velas de las naves enemigas y las incendiaba. (Todavía hoy los científicos discuten sobre si esto era un arma de rayos practicable; varios equipos de científicos han tratado de repetir esta hazaña con diferentes resultados).

Las pistolas de rayos irrumpen en el escenario de la ciencia ficción en 1889 con el clásico de H. G. Wells La guerra de los mundos, en el que alienígenas procedentes de Marte devastan ciudades enteras disparando haces de energía térmica desde armas montadas en trípodes. Durante la Segunda Guerra Mundial, los nazis, siempre dispuestos a explotar los últimos avances en tecnología para conquistar el mundo, experimentaron con varias formas de pistolas de rayos, incluido un aparato sónico, basado en espejos parabólicos, que podía concentrar intensos haces de sonido.
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Las armas creadas a partir de haces luminosos concentrados pasaron a formar parte del imaginario colectivo con la película de James Bond Goldfinger, el primer film de Hollywood en el que aparecía un láser.
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(El legendario espía británico estaba tendido y sujeto con correas en una mesa metálica mientras un potente haz láser que avanzaba lentamente entre sus piernas iba fundiendo la mesa y amenazaba con cortarle por la mitad).

Al principio, los físicos se mofaron de la idea de las pistolas de rayos que aparecían en la novela de Wells porque violaban las leyes de la óptica. De acuerdo con las ecuaciones de Maxwell, la luz que vemos a nuestro alrededor se dispersa rápidamente y es incoherente (es decir, es una mezcla de ondas de diferentes frecuencias y fases). En otro tiempo se pensaba que haces de luz uniformes, coherentes y concentrados, como los que encontramos en los haces láser, eran imposibles.

Todo esto cambió con la llegada de la teoría cuántica. A comienzos del siglo XX estaba claro que aunque las leyes de Newton y las ecuaciones de Maxwell eran espectacularmente acertadas para explicar el movimiento de los planetas y el comportamiento de la luz, no podían explicar toda una clase de fenómenos. Fallaban estrepitosamente para explicar por qué los materiales conducen la electricidad, por qué los metales se funden a ciertas temperaturas, por qué los gases emiten luz cuando son calentados, por qué ciertas sustancias se hacen superconductoras a bajas temperaturas —todo lo cual requiere una comprensión de la dinámica interna de los átomos—. Había llegado el tiempo para una revolución. Doscientos cincuenta años de física newtoniana estaban a punto de ser superados, lo que anunciaba el nacimiento de una nueva física.

En 1900 Max Planck, en Alemania, propuso que la energía no era continua, como pensaba Newton, sino que se daba en pequeños paquetes discretos llamados «quanta». Tiempo después, en 1905, Einstein postuló que la luz consistía en estos minúsculos paquetes discretos (o quanta), más tarde bautizados como «fotones». Con esta idea poderosa pero simple, Einstein fue capaz de explicar el efecto fotoeléctrico, por qué los metales que reciben luz emiten electrones. Hoy, el efecto fotoeléctrico y el fotón forman la base de la televisión, los láseres, las células solares y buena parte de la electrónica moderna. (La teoría de Einstein del fotón era tan revolucionaria que incluso Max Planck, normalmente un gran defensor de Einstein, no podía creerla al principio. Al escribir sobre Einstein, Planck dijo «que a veces pueda haber errado el blanco [...] como por ejemplo, en su hipótesis de los quanta de luz, no puede realmente alegarse en su contra»).
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En 1913 el físico danés Niels Bohr nos dio una imagen del átomo completamente nueva, una imagen que se parecía a un sistema solar en miniatura. Pero a diferencia de lo que ocurre en un sistema solar en el espacio exterior, los electrones solo pueden moverse en órbitas o capas discretas alrededor del núcleo. Cuando los electrones «saltaban» de una capa a otra capa más interna con menor energía, emitían un fotón de energía. Cuando un electrón absorbía un fotón de energía discreta, «saltaba» a una capa más grande con más energía. Una teoría del átomo casi completa surgió en 1925 con la llegada de la mecánica cuántica y la obra revolucionaria de Erwin Schródinger, Werner Heisenberg y muchos otros. Según la teoría cuántica, el electrón era una partícula, pero tenía una onda asociada con ella, lo que le daba propiedades de partícula y de onda a la vez. La onda obedecía a una ecuación, llamada ecuación de onda de Schródinger, que permitía calcular las propiedades de los átomos, incluidos todos los «saltos» postulados por Bohr.

Antes de 1925 los átomos todavía eran considerados objetos misteriosos que muchos, como el filósofo Ernst Mach, creían que no podían existir. Después de 1925 se podía observar realmente la dinámica del átomo y predecir realmente sus propiedades. Esto significaba que si tuviéramos un ordenador suficientemente grande, podríamos derivar las propiedades de los elementos químicos a partir de las leyes de la teoría cuántica. De la misma forma que los físicos newtonianos podrían calcular los movimientos de todos los cuerpos celestes en el universo si tuvieran una máquina de calcular suficientemente grande, los físicos cuánticos afirmaban que en teoría se podrían calcular todas las propiedades de los elementos químicos del universo. Si tuviéramos un ordenador suficientemente grande, también podríamos escribir la función de onda de un ser humano entero.

En 1953 el profesor Charles Townes de la Universidad de California en Berkeley y sus colegas produjeron la primera fuente de radiación coherente en forma de microondas. Fue bautizada como «máser» (las siglas de amplificación de microondas mediante emisión estimulada de radiación). El y los físicos rusos Nikolái Basov y Alexander Projorov ganarían el premio Nobel en 1964. Sus resultados fueron extendidos pronto a la luz visible, lo que dio nacimiento al láser. (Un fáser, sin embargo, es un aparato de ficción popularizado en
Star Trek
).

En un láser se empieza con un medio especial que transmitirá el haz láser, tal como un gas, un cristal o un diodo especial. Luego se bombea energía en este medio desde el exterior, en forma de electricidad, radio, luz o una reacción química. Este repentino flujo de energía se transmite a los átomos del medio, de modo que los electrones absorben la energía y saltan a las capas electrónicas más externas.

En este estado excitado el medio es inestable. Si se envía entonces un haz de luz a través del medio, los fotones incidirán en cada átomo y harán que se desexciten repentinamente, caigan a un nivel inferior y liberen más fotones en el proceso. Esto produce a su vez aún más electrones que liberan fotones, y por último se crea una cascada de átomos que colapsan, lo que libera repentinamente en el haz billones y billones de fotones. La clave es que, para ciertas sustancias, cuando se produce esta avalancha todos los fotones están vibrando al unísono, es decir, son coherentes.

(Imaginemos una hilera de fichas de dominó. Las fichas de dominó en su estado más bajo están tumbadas sobre la mesa. Las fichas en su estado bombeado de alta energía permanecen verticales, similares a los átomos excitados por bombeo en el medio. Si empujamos una ficha, podemos desencadenar un repentino colapso de toda esta energía de una vez, igual que en un haz láser).

Solo ciertos materiales «lasearán», es decir, solo en materiales especiales sucede que cuando un fotón incide en un átomo bombeado se emitirá otro fotón que es coherente con el fotón original. Como resultado de tal coherencia, en este diluvio de fotones todos los fotones vibran al unísono, creando un haz láser fino como un pincel. (Contrariamente al mito, el haz láser no permanece siempre fino como un pincel. Un haz láser dirigido a la Luna, por ejemplo, se expandirá poco a poco hasta que cree una mancha de algunos kilómetros de diámetro).

Un sencillo láser de gas consiste en un tubo con helio y neón. Cuando se envía electricidad a través del tubo, los átomos se energizan. Entonces, si la energía se libera de golpe, se produce un haz de luz coherente. El haz se amplifica colocando espejos en cada extremo del tubo, de modo que el haz rebota de un lado a otro entre ambos. Un espejo es completamente opaco, pero el otro permite que escape una pequeña cantidad de energía en cada paso, de manera que sale un haz luminoso por dicho extremo.

Hoy día encontramos láseres en casi todas partes, desde las cajas registradoras de los hipermercados a los ordenadores modernos, pasando por los cables de fibra óptica que conectan con internet, las impresoras láser y los reproductores de CD. También se utilizan en cirugía ocular, o para eliminar tatuajes, e incluso en salones de belleza. En 2004 se vendieron en todo el mundo láseres por valor de más de 5.400 millones de dólares.

Cada día se descubren nuevos láseres a medida que se encuentran nuevos materiales que pueden «lasear», y a medida que se descubren nuevas maneras de bombear energía al medio.

La pregunta es: ¿son algunas de estas técnicas apropiadas para construir un láser suficientemente potente para alimentar una Estrella de la Muerte? Hoy hay una desconcertante variedad de láseres, dependiendo del material que «lasea» y de la energía que es inyectada en el material (por ejemplo, electricidad, haces intensos de luz, incluso explosiones químicas). Entre ellos:

Láseres de gas
. Entre estos se incluyen los láseres de helio-neón, que son muy comunes y dan un familiar haz rojo. Son alimentados mediante ondas de radio o electricidad. Los láseres de helio-neón son muy débiles. Pero los láseres de dióxido de carbono pueden utilizase para moldear, cortar y soldar en la industria pesada, y pueden crear haces de enorme potencia que son totalmente invisibles.

Láseres químicos
. Estos potentes láseres son alimentados por una reacción química, tal como un chorro ardiente de etileno y trifluoruro de nitrógeno, o NE,. Tales láseres son suficientemente potentes para ser utilizados en aplicaciones militares. Láseres químicos se utilizan en láseres del ejército de Estados Unidos, basados en tierra o en el aire, que pueden producir millones de vatios de potencia y están diseñados para disparar contra misiles de corto alcance en pleno vuelo.

Láseres de excímero
. Estos láseres también están alimentados por reacciones químicas, en las que con frecuencia interviene un gas inerte (por ejemplo, argón, kriptón o xenón) y flúor o cloro. Producen luz ultravioleta y pueden utilizarse para grabar minúsculos transistores en chips en la industria de semiconductores, o para cirugía ocular delicada.

Láseres de estado sólido
. El primer láser operativo construido consistía en un cristal de rubí de zafiro-cromo. Una gran variedad de cristales, junto con ytrio, holmio, tulio y otros elementos químicos, soportará un haz láser. Pueden producir pulsos ultracortos de luz láser de alta energía.

Láseres de semiconductor
. Diodos, que normalmente se utilizan en la industria de semiconductores, pueden producir los haces intensos utilizados en la industria de corte y soldadura. También suelen encontrarse en las cajas registradoras de los hipermercados para leer el código de barras de los productos.

Láseres de colorante
. Estos láseres utilizan colorantes orgánicos como medio. Son excepcionalmente útiles para crear pulsos ultracortos de luz, que con frecuencia solo duran billonésimas de segundo
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Dada la gran variedad de láseres comerciales y la potencia de los láseres militares, ¿por qué no tenemos pistolas de rayos aptas para usar en combate o en el campo de batalla? Pistolas de rayos de uno u otro tipo parecen ser algo estándar en el armamento de las películas de ciencia ficción. ¿Por qué no estamos trabajando para crearlas?

La simple respuesta está en la falta de una batería portátil. Se necesitarían baterías en miniatura que tuvieran la potencia de una enorme central eléctrica y pese a todo sean suficientemente pequeñas para caber en la palma de la mano. Hoy día la única manera de dominar la potencia de una gran central comercial es construir una. Actualmente el aparato militar más pequeño que puede contener grandes cantidades de energía es una bomba de hidrógeno en miniatura, que podría destruir tanto a quien la lleva como al blanco.

Hay también un segundo problema: la estabilidad del material del láser. En teoría no hay límite a la energía que se puede concentrar en un láser. El problema es que el material del láser en una pistola de rayos manual no sería estable. Los láseres de cristal, por ejemplo, se sobrecalentarán y agrietarán si se bombea en ellos demasiada energía. Así, para crear un láser extraordinariamente potente, del tipo que pudiera vaporizar un objeto o neutralizar a un enemigo, sería necesario utilizar la potencia de una explosión. En tal caso, la estabilidad del material del láser no es una limitación, puesto que dicho láser solo se utilizaría una vez.