domingo, 6 de noviembre de 2022

Interferencia - Olga Caballero Calero

¿Qué pasa con la energía cuando dos haces luminosos interfieren de manera destructiva?
(Por Olga Caballero Calero)

(Noviembre 2016)



Aunque quizá no seamos conscientes de ello, todos hemos visto o estudiado alguna vez el fenómeno de la interferencia destructiva: quizá las ondas que produce una piedra al lanzarse a un lago, quizá el experimento de la doble rendija, o al sacudir una cuerda (o al tocar un instrumento de cuerda)…. En nuestra vida diaria, somos conscientes de que necesitamos el plato giratorio del microondas para conseguir que la comida se caliente homogéneamente, aunque quizá no nos hayamos preguntado porqué. Esto ocurre porque dentro del horno microondas, las ondas están en modo estacionario, esto es, la suma de la onda emitida y la onda reflejada dentro de la cavidad forman una onda estacionaria con máximos de intensidad (donde la comida se calienta mucho) y nodos o mínimos (donde no se calienta nada), y por ello tenemos que girar el plato para homogeneizar la temperatura. Pero, ¿realmente no hay energía en los nodos? ¿Dónde se va la energía?

Como bien dice el título, ésta es la pregunta que ha motivado este capítulo, es decir, saber qué ocurre con la energía cuando dos haces de luz interfieren entre si y producen oscuridad. De hecho, como veremos más adelante, no podemos tener el caso de dos haces de luz que interfieran y produzcan total oscuridad, esto es, no existe la interferencia destructiva total. De hecho, lo que ocurre es que la interferencia de dos haces coherentes produce oscuridad local, y si miramos el sistema global, no solamente la zona de interferencia, veremos que la energía no desaparece, si no que se “reorganiza”.

Un ejemplo clásico de este efecto de oscuridad local producido por interferencia de haces de luz es el experimento de la doble rendija: una fuente de luz se coloca a una cierta distancia de una pantalla con dos rendijas. Si se coloca una segunda pantalla al otro lado de la fuente de luz, se observará el patrón de interferencia creado por la doble rendija. Este patrón se compone de franjas luminosas y oscuras, que corresponden a interferencia constructiva y destructiva, respectivamente. Lo que ocurre en este patrón es un caso claro de redistribución de la energía, es decir, que la suma total de intensidad del patrón iguala a la suma de la intensidad de luz que pasa por ambas rendijas. De hecho, las franjas son el doble de intensas que en el caso de tener la luz proveniente de una sola rendija. En conclusión, la energía se conserva, pero se reorganiza espacialmente.

El otro caso de interferencia, esto es, aquel que produzca interferencia destructiva en todas partes, no es posible. Intuitivamente, podríamos pensar en un experimento sencillo, con una simple cuerda, en el que pudiéramos generar una interferencia destructiva. Imaginemos que tenemos una cuerda que se agita de tal modo que se crea una onda harmónica que se propaga a lo largo de la misma, con lo que transportaría una cierta energía. Entonces, podemos imaginarnos otra onda de la misma frecuencia y amplitud pero en desfase con la anterior. Esta segunda onda también transportaría energía. Si sumamos ambas ondas, resultaría que la cuerda dejaría de moverse, sin frecuencia ni amplitud alguna y, por lo tanto, ¡haciendo desaparecer la energía! ¡Interferencia destructiva total! Por supuesto, hay un pequeño problema con este razonamiento, y es que en el ejemplo no estamos teniendo en cuenta por ninguna parte cómo se han podido generar estas dos ondas en la misma cuerda. Tras la generación de la primera onda, en algún punto de la cuerda, deberemos aplicar un movimiento tal que se genere esta segunda onda. Una manera sería hacer un movimiento que cancelara la primera onda, es decir, haciendo una fuerza que trabaje en contra de la primera onda. El resultado sería que, a partir del punto en el que se está haciendo esta fuerza, la cuerda no se movería. Sin embargo, la actuación de esta fuerza actuaría reflejando la onda incidente, por lo que no añade energía al sistema total. La energía que “desaparece” se ha transformado en trabajo para cancelar la primera onda.

Sería fácil intentar imaginar un experimento similar con luz, colocando dos láseres perfectamente alineados que emitieran en direcciones opuestas. La solución más sencilla a este problema es que si consiguiéramos interferencia destructiva en todas partes, los láseres anteriormente mencionados no podrían emitir luz, ya que su modo de emisión sería un modo prohibido y el fenómeno físico que produce la emisión de estos láseres sería reemplazado por otra forma de energía, tal como emisión de fonones, es decir, calentamiento del láser, por ejemplo. Esto puede resultar difícil de imaginar en un primer momento, pero para cualquiera que haya trabajado con láseres es fácil recordar qué ocurre cuando se tiene un sistema perfectamente alineado, lo que supone que alguna reflexión del sistema pueda entrar de nuevo en la cavidad, desestabilizando el láser y haciendo que la propia emisión del láser se comporte de modo extraño. Esto se produce porque los láseres tienen una arquitectura muy estudiada en cuanto al diseño de su cavidad, de modo que ésta responde a un cierto medio amplificador. La luz no se crea automáticamente, si no que hay una serie de fenómenos de acumulación y emisión que han de producirse de una manera determinada. Es decir, tal y como yo lo comprendo, no hay ninguna posibilidad de crear una interferencia totalmente destructiva con luz.

De todos modos, alguien que tenga algo de experiencia con interferómetros, por ejemplo, podría tirar por tierra toda mi interpretación de redistribución espacial de la energía. Por ejemplo, en el caso de un interferómetro de Michelson (ver la figura 1), el patrón de interferencia producido aparece como una diana. Cuando uno de los brazos del interferómetro se bloquea, vemos toda el área de la diana homogéneamente iluminado. Si tomamos la intensidad total con interferencia y lo comparamos con la suma de la intensidad que proviene de los dos brazos del interferómetro, no se corresponden. De hecho, ¡hemos perdido energía! ¡Esto sí podría ser un caso de destrucción de energía! Pero (siempre hay un pero para preservar la energía), hemos dicho anteriormente que la energía se reorganiza “globalmente” (he reorganizado la frase también). ¿Qué significa “globalmente”? Significa que tenemos que mirar por todas partes para buscar la energía perdida antes de afirmar que ha desaparecido.  En este caso, tenemos un efecto similar al de la cuerda que hemos discutido anteriormente. En este tipo de interferómetros, hay otro patrón de interferencia que no solemos tener en cuenta y que se refleja en el patrón de interferencia. Si se combina este patrón (también llamado antisimétrico, ya que corresponde a la imagen invertida de la diana que observamos) con el patrón de interferencia original, la intensidad resultante sí corresponde a la suma de las intensidades de ambos brazos del interferograma. Ya hemos encontrado la energía perdida.


Interferómetro de Michelson (fuente: Wikipedia), S es la fuente, M1 y M2 son los espejos y M`2 es la imagen de M2.


Por todo esto, la respuesta a la pregunta propuesta en el título es que, cuando dos haces de luz interfieren destructivamente para crear oscuridad, la energía… se va a otro lado. Esto no es más que otro modo de decir que la ley de la conservación de la energía siempre se cumple, como es de esperar. Cuando la energía desaparece en algún punto, se puede encontrar siempre en otro lugar, quizá como otro tipo de energía. Para concluir, y cambiando un poco las palabras de Einstein, “Durante el resto de mi vida reflexionaré sobre dónde está la luz”.

 

Olga Caballero Calero

Doctora en Ciencias Físicas

Investigador Contratado

Instituto de Microelectrónica de Madrid (IMM-CSIC)

 


Nacida en Madrid en 1979, ha desarrollado su carrera científica en varios campos tales como fotónica, estudio de materiales, instrumentación para astrofísica. Doctora en Ciencias Físicas por la Universidad Autónoma de Madrid, ha hecho estancias en distintos centros de investigación de EEUU (Photonics Center, Boston), Alemania (Universität Bonn), Japón (NIMS) y Francia (Université de Grenoble).

Actualmente trabaja en el Instituto de Microelectrónica de Madrid (IMM-CSIC) como doctor Ramón y Cajal en temas de nano-estructuras y aprovechamiento de energía (termoelectricidad).


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