Somewhere over the rainbow

No, no voy a hablarles de Judy Garland ni de Toto. No estamos en Kansas. Estamos en Inglaterra en 1800. William Herschel, el astrónomo que descubrió Urano, estaba tratando de entender por qué la luz solar calienta.

1. Dispersion_prismHacía más de 100 años que Newton había mostrado que la luz no era algo “puro”: al atravesar un prisma, se descompone en distintos colores, del rojo al violeta. El arcoiris dentro de la luz blanca. Este descubrimiento fue maravilloso. Newton entendió que lo que veía se debía a que los distintos colores refractan con distintos ángulos al pasar por el prisma. No solo eso, sino que también demostró así que los colores son propiedades inherentes a la luz. De pronto, un gran misterio se develaba: la luz blanca que vemos, la luz del Sol, está compuesta por luces de distintos colores.

Herschel sabía ya que la luz blanca está hecha de luces de distintos colores y sabía que es capaz de calentar objetos. ¿Qué hizo entonces? Buscó averiguar si alguno de los colores era especialmente responsable del calor. Separó la luz en colores, como hizo Newton, y midió con termómetro la temperatura de cada uno por separado. Como control, mantuvo dos termómetros cerca, para que midieran la temperatura ambiente, pero suficientemente lejos como para que no llegaran a ellos los distintos colores. El resultado que obtuvo fue sorprendente: todos los colores eran algo más calientes que la temperatura ambiente, y la temperatura aumentaba progresivamente desde el violeta hacia el rojo. El rojo era más caliente que los otros.

Listo, ¿no? La pregunta había sido respondida… pero Herschel quería saber más, y tenía una sospecha que necesitaba dilucidar: si vemos un patrón, si vemos que a medida que avanzamos en el espectro la temperatura aumenta, ¿no querríamos averiguar si ese fenómeno seguirá más allá del rojo?

El trabajo que escribió contando lo que hizo después comienza con este párrafo, que está traducido debajo:

2. Herschel paper “En esa sección de mi trabajo anterior que habla del calor radiante se sugirió, aunque a partir de experimentos defectuosos, que el rango de refrangibilidad es probablemente mayor que el de los colores prismáticos. Pero, como últimamente hubo días más soleados, y obtuve confirmación suficiente de lo mismo, es apropiado agregar los siguientes experimentos a los que conté antes”.

No es fácil tener días soleados en Inglaterra, así que se entiende que haya sido tan meticuloso para tratar de obtener resultados más confiables y completos. Para eso, diseñó un experimento sencillísimo y elegante, uno de esos experimentos que los científicos consideramos objetivamente bellos.

El dispositivo que armó fue el siguiente:

3. Diseño exp Herschel

En una habitación a oscuras, arriba a la izquierda (C y D) está el prisma por el que hizo pasar luz blanca. Sobre la mesa se genera el espectro (marcado con la letra E): el violeta más cerca del borde de la mesa, luego el índigo, azul, verde, amarillo, naranja y, por último, el rojo. Pero no puso el termómetro sobre el rojo, sino un poco más allá. Ese fue el termómetro 1, el más cercano al lado de la mesa rotulado como A. Ubicó otro termómetro al lado del primero y a ese lo llamó termómetro 2. Y, por si acaso, un tercer termómetro al lado del segundo. La idea era poder comparar las mediciones de los 3 termómetros. Lo que obtuvo fue esto (no importan las unidades de temperatura):

4. Imagen datos 1

Los 3 termómetros comienzan aproximadamente a la misma temperatura, la temperatura ambiente (44-45). A medida que pasa el tiempo, la temperatura del termómetro 1 va aumentando. La última medición, 10 minutos luego de comenzar, da poco más de 50. Los otros dos termómetros no midieron un aumento de temperatura.

Lo interesante de los científicos es que, al menos los mejores, siempre están tratando de buscarle la quinta pata al gato. ¿Y si hay un problema con el termómetro 1 y por eso vemos el aumento de temperatura? ¿Cómo podía Herschel averiguar si esto era lo que estaba ocurriendo? Lo que hizo fue simple pero efectivo: intercambió de lugar los tres termómetros y midió otra vez. Siempre obtuvo los mismos resultados, lo que descartaba la posibilidad de que hubiera un termómetro que estuviera funcionando mal.

Ahora sí estaba listo para sacar una conclusión, que escribió hermosamente así:

5. conclusion

“Siendo ahora evidente que había una refracción de rayos provenientes del Sol que, aunque no aptos para la visión, estaban muy provistos del poder de causar calor, procedí a examinar su extensión como sigue.”

¿Qué era eso que seguía? Ir alejando progresivamente los termómetros y medir hasta dónde llegaba esa capacidad de los rayos invisibles de calentar cosas. ¡Y seguía! Herschel cuenta en su paper que el día era muy soleado y que, dada la época del año y la rareza del evento, no quería desaprovechar la oportunidad. Entonces, continuó con sus mediciones.

Lo siguiente que hizo fue preguntarse si más allá del violeta ocurría lo mismo, y vio que no. Luego del violeta, ya no había luz visible y tampoco luz con poder de calentar cosas.

De poco sirven prolijas y sistemáticas mediciones si no son adecuadamente interpretadas. Con todo esto, Herschel concluyó lo siguiente:

“Hay rayos que provienen del sol que son menos refrangibles que los que afectan la vista. Están provistos de un gran poder de calentar objetos, pero sin ningún poder de iluminarlos. Y esto explica la razón de por qué hasta ahora no habían sido notados.”

Herschel había descubierto, nada más y nada menos, lo que hoy conocemos como rayos infrarrojos, que en el espectro electromagnético se encuentran al lado del rojo, como primer tipo de radiación no visible al ojo humano.

Espectro electromagnético

Espectro electromagnético

Los cuerpos calientes están emitiendo radiación electromagnética en el rango del infrarrojo. Fue la primera vez que alguien demostró que había un tipo de luz no visible. Lo lindo de todo esto es que, como Herschel no detectó calor del otro lado del espectro visible, más allá del violeta, concluyó que el espectro comenzaba en el violeta y se extendía más allá del rojo. Tiempo después, este “mundo” se hizo más grande: se descubrieron los rayos ultravioletas y muchos otros tipos de radiación electromagnética. La luz es todo eso, y la parte que nuestros ojos pueden ver es ínfima.

Concluyó su trabajo con estos párrafos que, además, nos dejan mirar un poco más de cerca la manera en la que se piensa en ciencia:

“Para concluir, si llamamos luz a los rayos que iluminan objetos, y calor radiante a los que calientan cuerpos, podríamos preguntarnos si la luz es esencialmente diferente del calor radiante. En respuesta a lo cual yo sugeriría que no tenemos permitido, por las reglas de la filosofía, admitir dos causas distintas para efectos que pueden ser explicados por una sola. Un haz de calor radiante que emana del sol consiste en rayos que son refrangibles en distinto grado. Su extensión, al ser dispersados por un prisma, comienza en la luz de color violeta, donde son más refractados y tienen mínima eficacia. Estos rayos caloríficos están todo a lo largo del espectro prismático y su poder aumenta progresivamente a medida que su refrangibilidad disminuye hasta llegar al final de la luz de color rojo. Pero su menor refrangibilidad y su mayor poder no se detiene ahí, ya que los perseguimos bastante más allá del espectro prismático hacia un estado invisible, y todavía ejercían su energía cada vez mayor, con una disminución en refrangibilidad hasta el máximo de su poder. También los seguimos hasta el estado en el que, aunque todavía menos refractados, su energía, suponemos que por su densidad menor, disminuye muy rápido. Y, luego de eso, el espectro termométrico invisible, si puedo llamarlo así, pronto se desvanece.

Si esto es una descripción correcta del calor solar, en apoyo a lo cual tengo en cuenta mis experimentos, queda solo que admitamos que esos rayos del sol que tienen la refrangibilidad de los que se encuentran dentro del espectro prismático, por la construcción de los órganos de la vista, son admitidos, bajo la apariencia de luz y colores, y que el resto, detenido por la cubierta y los humores de los ojos, actúan sobre ellos y también sobre las otras partes de nuestro cuerpo, ocasionando la sensación de calor.”

Referencias

– “Experiments on the Refrangibility of the Invisible Rays of the Sun” William Herschel. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 90 (1800), pp. 284-292: http://rstl.royalsocietypublishing.org/

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