Ciudad de México.- Quizá una de las partículas más famosas y controvertidas de la física sea el fotón. Éste no solamente es el constituyente fundamental de la luz y de otras formas de radiación electromagnética, sino que además es el responsable de que los seres humanos y otras especies animales seamos capaces de percibir la realidad a través de la retina, una capa de células nerviosas situadas en el interior de los ojos que envía al cerebro las señales de luz (fotones) para que podamos percibir la realidad.

Los fotones, pues, son las partículas que le dan forma a la luz –son la luz misma– y desde hace más de 100 años se ha observado en ellos un comportamiento bastante curioso porque, gracias a los efectos de la mecánica cuántica, pueden comportarse tanto como ondas o como partículas.

Este comportamiento dual de los fotones, un tanto esquivo, ha significado que los científicos no puedan comprender del todo sus propiedades físicas y las características de su propia naturaleza. Lo que sí se sabe es que han estado presentes desde el nacimiento del universo mismo y que físicos de la talla de Albert Einstein los hayan estudiado con profundidad.

Ahora bien, gracias a los avances recientes en creación y manipulación de imágenes, así como a la capacidad creativa de los investigadores para manipular ecuaciones complejas y hacerlas más sencillas, un grupo de físicos de la Universidad de Birmingham (Reino Unido), encabezados por el investigador Ben Yuen, ha logrado por primera vez fotografiarlo. Y lo han hecho mientras manipulaban una nanopartícula.

Como su nombre lo indica, las nanopartículas son partículas extremadamente pequeñas que, dado su tamaño (van del rango de los 0 a los 100 nanómetros) poseen propiedades muy diferentes a la de aquellos materiales que se encuentran a escala macroscópica, por lo tanto, estudiarlas resulta sumamente importante no solamente para el desarrollo de nuevos materiales, sino también para la comprensión de la naturaleza a escala atómica y subatómica.

Un centímetro, por ejemplo, equivale a unos ¡10 millones de nanómetros! Así de pequeñas son las nanopartículas.

Los fotones nunca habían sido vistos individualmente hasta ahora.

Por otra parte, la fotografía realizada a este fotón, el cual parece más bien un limón,  permitirá desarrollos importantes en cuestiones tales como la computación cuántica, los dispositivos fotovoltaicos utilizados para generar energía a partir de la luz del Sol y, también, para el desarrollo de la fotosíntesis artificial, una técnica que podría servir para producir vegetación en sitios en donde la luz solar no llega, o lo hace de forma muy tenue, como en la Luna o en la superficie de Marte, donde se espera que en un futuro no muy lejano existan colonias humanas.

Sobre la naturaleza de los fotones, de ello se sabe todavía muy poco. Por ejemplo, existe información muy limitada en torno a cómo son creados o cómo son emitidos, dispersados o absorbidos por los átomos. Pese a ello, los físicos realizan esfuerzos cada vez mayores para estudiar sus peculiaridades.

Animación que muestran por primera vez cómo un emisor cuántico emite espontáneamente un fotón único en un entorno, en el límite de tiempo largo.

De lo que se tiene más certeza es de que existe una compleja interacción entre las partículas de los átomos como los electrones y los fotones. Dicha interacción -que se ha producido desde el principio de los tiempos- se ha traducido en fenómenos tan maravillosos como la ionización donde, si la energía del fotón es suficientemente alta, puede ionizar a un átomo, es decir, arrancarle uno o varios electrones.

El fenómeno de la ionización -que sucede miles de millones de veces cada segundo en el escenario de la vida– es provocado por la radiación ultravioleta y los rayos X que son capaces de ionizar átomos (arrancarles electrones) tanto en la atmósfera como en cualquier organismo biológico.

Animación que muestran por primera vez cómo un emisor cuántico emite espontáneamente un fotón único en un entorno, en el límite de tiempo corto.

En el caso de la ionización en organismos vivos, el fenómeno suele ser estudiado por disciplinas tales como la radiología o la radioterapia. Gracias a estas dos disciplinas, es posible observar las interacciones de los fotones altamente energéticos –como los que producen los rayos X– con las células de cualquier organismo; ello con la finalidad de tratar enfermedades como el cáncer.

Por otro lado, y como lo menciona Ben Yuen en una entrevista reciente con el portal de internet Live Science, “el resultado de que las propiedades de un fotón dependen en gran medida de las propiedades de su entorno, conduce a una matemática increíblemente compleja”. De hecho, lo que Yuen y su equipo lograron fue simplificar de forma drástica las ecuaciones para describir el comportamiento de la luz, algo que no se había logrado con anterioridad.

En lo que atañe a la importancia de este histórico descubrimiento es que, a partir de ahora, los científicos podrán tener una mejor comprensión del mecanismo por el cual los fotones son emitidos y absorbidos por los átomos y cómo se propagan a través del entorno.

Las auroras boreales también son el resultado de los efectos de ionización que ocurren cuando las partículas del Sol interactúan con las partículas de la atmósfera de la Tierra. Foto: Dora Miller / NASA

De hecho, los fotones viajan a unos 300 mil kilómetros por segundo. Gracias a esta descomunal velocidad podemos conocer cómo son las estrellas –no solamente de nueva Vía Láctea– sino también de otras galaxias. Sin éstos, el universo sería completamente oscuro y frío y quizá no existiría tal y como lo conocemos.

Además, gracias a los fotones, sabemos que el universo no solamente se está expandiendo, sino que lo hace a una velocidad cada vez mayor, por lo tanto, hay galaxias que, si alguna vez existieron, desafortunadamente ya no las podríamos observar porque su luz, sus fotones, aún no nos han alcanzado debido, precisamente, al fenómeno de la expansión. De hecho, nunca las llegaremos a conocer porque la luz, aunque viaja muy rápido, lo hace de manera finita, con una velocidad limitada.

La investigación de cómo se logró hacer la primera fotografía de un fotón apareció publicada el pasado 14 de noviembre en la prestigiosa revista Physical Review Letters y puede consultarse desde el siguiente enlace: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.133.203604#supplemental

Con información de Aristegui Noticias