Ojos para lo infinitesimal II. La doma de la luz

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Microscopios y telescopios son la expresión tecnológica contemporánea de la domesticación de la luz. Su desarrollo surge de la observación, entendimiento y utilización en nuestro beneficio de un fenómeno de la naturaleza. Durante los últimos milenios, artesanos, inventores, ingenieros y científicos han ido susurrando a la luz el camino deseado usando diferentes técnicas.

TEXTO POR DANIEL MORENO
ILUSTRADO POR NURIA RODRÍGUEZ
ARTÍCULOS
MICROSCOPIA
26 de Marzo de 2015

Al menos esa es a la conclusión que he llegado después de mucho observar los complicados esquemas ópticos de los microscopios que ahora manejo a diario, los cuales suelen colgar a modo de póster en las cercanías del aparato en todo cuarto de microscopios que se precie de serlo. A decir verdad, manejar un microscopio actual viene a ser algo así como conducir un coche, en el sentido de que no es necesario entender su mecánica por completo para poder manejarlo de una manera adecuada a tus propósitos. Aunque por supuesto, conocer el intríngulis de sus mecanismos y las leyes físicas que los hacen funcionar te permitirán sacarle mejor partido y perder menos tiempo. Por ello, ya desde los primeros momentos encerrado en aquel cuarto lleno de palancas, botones, lucecitas y pantallas, aquellos pósters me parecían más un circuito de esos donde adiestran a los perros o entrenan a los caballos de salto que una obra de ingeniería. En ellos, las trazadas son los haces de luz, y las rampas, vallas y ruletas, los espejos y las lentes.

Así pues, la pieza clave de la tecnología en este proceso de domesticación de la luz ha sido la lente. Por ahora, se tiene conocimiento de la existencia de lentes primitivas que datan de época asiria, casi mil años antes de Cristo. Aunque no se sabe cuál fue su uso y ni siquiera se sabe si se usaron como lentes propiamente dichas. De medio milenio más tarde y procedentes de la antigua Grecia nos han llegado referencias escritas acerca de un tipo de lentes que después los antiguos romanos usaron de forma más o menos regular. Esas lentes eran unos cristales convexos que concentraban la luz solar para encender fuego. También datan del imperio romano unas descripciones acerca de lo que podrían ser las primeras lentes correctivas, usadas por el mismísimo Nerón. Además, existen referencias de la misma época (alrededor del año cero de nuestro calendario) de la existencia de lentes generadas con cristales esféricos rellenos de agua que producían un efecto amplificador. Once siglos después, casi a la vez que el libro de óptica del erudito árabe Alhazen, aparecen las primeras lentes esféricas de cristales de cuarzo pulido, que pudieron ser usadas por los vikingos tanto como lentes amplificadoras como para encender fuego mediante la concentración de la luz solar.

Imagen lente esférica Vikinga o lente de Visby
Imagen lente esférica Vikinga o lente de Visby Fuente: Wikipedia Commons

A partir del siglo XII, con la traducción al latín de los antiguos tratados de óptica árabes, aparecen las gafas, que se extenderán rápidamente en cuestión de décadas (China e Italia se disputan su invención a finales del siglo XIII). La construcción de lentes proliferó sustentada sobre una rudimentaria base de óptica teórica perfeccionada empíricamente. Este desarrollo experimental condujo a la invención del microscopio y del telescopio entre finales del S.XVI y principios del S.XVII. Ambos combinarían tanto lentes como espejos y ya nacerían con los defectos de visión propios de sus componentes. Empezaba pues aquí el desafío de mejorar el invento que nos dio ojos para lo infinitesimal. Uno de los primeros retos fue eliminar, en la medida de lo posible, las aberraciones ópticas responsables de que el objeto observado parezca distorsionado. Probablemente fue el ahínco en la búsqueda de esta perfección lo que disparó nuestro entendimiento actual de la óptica.

Algunos tipos de lentes según su geometría
Algunos tipos de lentes según su geometría Fuente: Wikipedia Commons

Existen muchos tipos de lentes, tanto por tipos de materiales como por geometrías, pero la mayoría de ellas basan su funcionamiento en un fenómeno natural que afecta a las ondas: la refracción. La luz como onda electromagnética que es sufre refracción, es decir, cambia su dirección cuando pasa de propagarse en un medio o material a otro medio o material de distinto tipo. Como curiosidad baste con apuntar que los espejos llevan el fenómeno de refracción al límite, produciendo la reflexión de la luz, que no es otra cosa que un cambio de dirección del rayo de luz hacia el medio por el que venía.

Reflexión y Refracción de un haz de luz
Reflexión y Refracción de un haz de luz Fuente: Daniel Moreno

Usando estas propiedades, que dependen en última instancia de la composición y geometría de la lente, la luz proveniente de un objeto puede ser canalizada de la manera más apropiada para conseguir el efecto deseado, en el caso del microscopio, aumentarlo. Para ello se toma ventaja del hecho de que las lentes pueden formar imágenes reales o virtuales dependiendo de que el objeto observado se encuentre dentro o fuera de la distancia focal de la lente. Las imágenes reales son, en definitiva, las que el ojo recibirá en su retina o las que la cámara imprime en el sensor fotográfico. Las imágenes virtuales, por otra parte, se forman en el mismo lado de la lente que el objeto o la imagen real observada y, si la lente es convexa, esta imagen será una magnificación virtual del objeto o imagen real. Más adelante, otro sistema de lentes, como por ejemplo el propio ojo o una cámara, se puede ocupar de enfocar la imagen virtual en la retina o en un sensor o en una película.

Esquema sencillo de la formación de una  Imagen real y una Imagen virtual
Esquema sencillo de la formación de una Imagen real y una Imagen virtual Fuente: Daniel Moreno
Esquema de un Microscopio simple
Esquema de un Microscopio simple Fuente: Daniel Moreno

Sin embargo, al contrario de lo que pueda parecer, la luz no es fácil de domar. Cuando un haz de ondas electromagnéticas como la luz pasa por un sistema óptico, a menudo, se empeña en producir aberraciones ópticas. Ellas constituyen uno de los primeros escollos a los que se enfrentó la microscopía (y todas aquellas artes que tenían que ver con la óptica). Existen más de una quincena de aberraciones ópticas que se han clasificado a conveniencia en dos grupos: aberraciones monocromáticas y aberraciones cromáticas. Las primeras son el resultado de defectos en la estructura real de la propia lente o sus materiales. Esta desviación de la perfección teórica de la lente o espejo hace que la refracción de un haz monocromo (de un solo color, con un rango muy corto de longitudes de onda) no sea perfecta y enfocada, generando una imagen distorsionada, deforme o borrosa. El segundo grupo de aberraciones es consecuencia directa de que el ángulo con que un haz de luz refracta (se curva al pasar de un medio a otro) depende de la longitud de onda de ese haz. Como normalmente la luz usada se compone de todas los longitudes de onda visibles, cuando este haz pasa por una lente, las diferentes longitudes de onda se dispersan formando un arco iris (de ahí su nombre).

ERepresentación de la dispersión de un Haz de luz de luz blanca en sus haces componentes del espectro visible
Representación de la dispersión de un Haz de luz de luz blanca en sus haces componentes del espectro visible Fuente: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

Por tanto, la corrección de estas aberraciones en la medida de lo posible ha sido otra pieza clave en la domesticación de la luz al servicio de la microscopía, contribuyendo excepcionalmente a realizar observaciones cada vez más precisas y fieles a la realidad. El avance en las tecnologías para generar lentes y espejos cada vez más cercanos al ideal teórico ha ido disminuyendo el impacto de las aberraciones monocromáticas casi desde el mismo inicio de la microscopía. Es famosa por ejemplo la habilidad y sabiduría de Leeuwenhoek a la hora de pulir lentes, pues ya en 1674 fue capaz de observar bacterias con gran detalle. Además, a principios del siglo XIX se entendió que tanto las aberraciones cromáticas como algunas monocromáticas podían ser corregidas sustancialmente mediante el uso de sistemas de lentes compuestas. Esto es, una lente corrige el defecto de la otra. De esta manera Joseph Jackson Lister construyó el primer microscopio sin aberración cromática en 1826. Y él mismo, poco después, reduciría el problema de la aberración esférica (un tipo de aberración monocromática) mediante el uso de varias lentes en línea.

Ejemplo de aberración cromática y del esquema del sistema usado para corregirla
Ejemplo de aberración cromática y del esquema del sistema usado para corregirla Fuente: telescopes.net

Y así, siguiendo el camino de la prueba, el error y el remedio, con mucha paciencia y más pericia pero aún con poco cálculo en óptica, se fue mejorando el arte de construir microscopios hasta mediados del siglo XIX. Entonces, el físico Ernst Abbe y el mecánico constructor de lentes Carl Zeiss se asociaron para dotar de una base teórica sólida al proceso artesano de construir microscopios. Zeiss tenía el sueño de poder construir un microscopio solo basándose en los cálculos de óptica de sus lentes sin la tediosa tarea del ensayo-error y Abbe lo haría realidad con la ayuda del químico de vidrios Otto Schott. Empezaba así, hace más de ciento cincuenta años, el ascenso meteórico de la microscopía moderna el alas de las matemáticas, la física y la ingeniería de materiales. 

Referencias

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