UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLÓGICA DE
COLOMBIA
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS - ESCUELA DE FISICA
VISION DE LA FISICA ACTUAL
La
visión predominante en la física actual está fundada sobre la idea de campos que
transmiten energía, momentum e información. La sustitución del universo newtoniano
de acción a distancia por uno de campos continuos fue preparada por los trabajos
de Faraday sobre las líneas de fuerza y tuvo como uno de sus puntos culminantes
la obra de James Clerk Maxwell.
Durante la primera mitad del siglo XIX, gracias a los experimentos de
interferencia de Young y a los trabajos de difracción de Fresnel, se había
establecido casi sin lugar a dudas el carácter ondulatorio de la luz. Pero sobre su naturaleza misma muy poco
se conocía.
Óptica
y electromagnetismo eran dos capítulos independientes e irreductibles entre
sí. Su unificación fue obra de
Maxwell, estableciendo como algo normal en la física un tipo de razonamiento
fundado en argumentos de simetría y conservación. Guiado por ellos alteró las ecuaciones
de electromagnetismo adicionándoles un término, la llamada corriente de
desplazamiento, que por su pequeñez se escapaba entonces a cualquier medición
directa. Este término que
garantizaba cierta simetría de las ecuaciones pero no era sugerido por ningún
dato experimental, condujo a Maxwell a predecir la existencia de ondas
constituidas por campos eléctricos y magnéticos que se desplazan con una
velocidad que podía deducirse a partir de las constantes electromagnéticas.
Después
de comprobar que esta velocidad, medida con ayuda de un condensador y un
galvanómetro, coincidía dentro de los límites del error experimental con la
velocidad de la luz, medida directamente por Fizeau y Foucault, escribió: “La concordancia de los
resultados parece mostrar que luz y magnetismo son afecciones de la misma
sustancia y que la luz es una perturbación electromagnética que se propaga a
través del campo de acuerdo con leyes electromagnéticas”.
De
este modo Maxwell, usando la simetría matemática, puso al descubierto un mundo
antes insospechado de radiaciones electromagnéticas de todas las frecuencias; a
partir de entonces, la idea de simetría se ha convertido en un concepto central
de la física y ha conducido a predicciones teóricas como la existencia de la
antimateria y de numerosas partículas elementales, detectadas experimentalmente
más tarde en los aceleradores de partículas.
Pero
la teoría electromagnética de la luz no sólo cambió la visión del mundo y
planteó nuevas tareas con nuevos métodos a la física teórica y
experimental. Sus repercusiones
tecnológicas revolucionaron la vida de la sociedad de una manera tan vasta y
profunda que hoy es casi imposible imaginar un mundo sin radio, televisión, ni
microondas, ni láser, ni computadores, etc.
Las
ecuaciones de Maxwell implican la existencia de ondas electromagnéticas que se
propagan en el vacío con velocidad
Cuando
una onda electromagnética en el rango resistivo de frecuencias incide sobre un
metal se genera una onda reflejada y una onda transmitida; ésta se amortigua
rápidamente, disipando su energía en forma de calor en una capa por lo general
muy delgada del conductor. Los
metales (con excepción del mercurio) se comportan como conductores sólo para
bajas frecuencias (región infrarroja, microondas, ondas de radio y de corriente
alterna). Pero aún para estas bajas
frecuencias la longitud de penetración
Las
líneas de transmisión de conductores paralelos son adecuadas para confinar
dentro de una región finita las ondas electromagnéticas con frecuencias menores
que 109 Hz. Pero líneas
abiertas presentan pérdidas apreciables de energía por radiación al espacio
exterior y, además, pueden causar efectos indeseados en conductores
vecinos. En líneas de transmisión
cortas, como las usadas en conexiones de teléfonos tradicionales, con frecuencia
del orden de unos pocos kilociclos, se disminuyen estos efectos trenzando las
cuerdas.
Una
manera más eficiente de confinar las ondas consiste en rodear uno de los
conductores con un tubo conductor concéntrico a fin de anular los campos
externos. Pero a frecuencias
mayores que 108 Hz, las pérdidas de energía en el conductor central
(por el cual circulan altas corrientes) pueden ser apreciables, y existe el
peligro de break-down en el
dieléctrico que separa los conductores.
Para
frecuencias en el rango óptico, la luz puede ser guiada con gran eficiencia a lo
largo de fibras muy delgadas (con diámetros comprendidos entre décimas de
milímetros y unos cuantos micrómetros), hechas de vidrio o plástico muy
transparente. Para el rango
intermedio de frecuencias de microondas
(109 a 1012 Hz) es posible canalizar o “guiar” la
energía electromagnética a través de tubos conductores huecos, denominados guías de ondas.
A
partir de la década de 1960 el desarrollo del láser y la posibilidad de fabricar
hilos de vidrio del espesor de un cabello (
El
principio en que se basa la transmisión de luz por la fibra es la reflexión
interna total; la luz que viaja por el centro o núcleo de la fibra incide sobre
la superficie externa con un ángulo mayor que el ángulo crítico, de forma que
toda la luz se refleja sin pérdidas hacia el interior de la fibra. Así, la luz puede transmitirse a larga
distancia reflejándose miles de veces; para evitar pérdidas por dispersión de
luz debida a impurezas de la superficie de la fibra, el núcleo de la fibra
óptica está recubierto por una capa de vidrio con un índice de refracción mucho
menor; las reflexiones se producen en la superficie que separa la fibra de
vidrio y el recubrimiento. Hoy es
común el uso de haces de fibras ópticas para transmitir imágenes o enfocar luz
sobre regiones muy pequeñas, pero la potencialidad mayor de las fibras ópticas
reside en sus enormes ventajas como medio de transmisión de señales de audio,
video y datos a largas distancias.
En primer lugar, las frecuencias ópticas (del orden de 1014 - 1015 Hz) permiten transmitir 10000 veces más información que las más altas frecuencias de radio. En segundo lugar, las fibras ópticas son prácticamente inmunes a perturbaciones electromagnéticas, debidas por ejemplo a descargas eléctricas en la atmósfera o a la presencia de circuitos vecinos que interfieren con señales eléctricas en cuerdas, cables o guías
delimitadas por conductores.
En tercer lugar, las pérdidas de energía, debidas predominantemente a
esparcimiento (scattering) de la luz,
ocasionado por impurezas o inhomogeneidades del dieléctrico, se han reducido
hasta el punto de que la señal puede viajar alrededor de 100 Km sin atenuación
considerable.
Las
pérdidas de energía a lo largo de la fibra se miden en decibles por kilómetro
(dB/Km). El número de decibeles es
una función monótona del cociente de la potencia de salida
Así,
cuando la potencia se reduce a 1% de su valor inicial la pérdida es de 20
dB. Una reducción al 10% equivale a
10 dB. La atenuación en el vidrio
corriente es del orden de 1000 dB/Km, mientras que en fibras de sílice fundida
(cuarzo) es de 20 dB/Km.
Técnicas de purificación (eliminación de impurezas de hierro, níquel,
cobre y restos de agua) han permitido obtener fibras de cuarzo de sólo 0.2 dB/Km (para una longitud de onda de
1550 nm). A pesar de tan baja
atenuación, en un recorrido de 80 Km la señal óptica pierde 16 dB de
potencia. En transmisiones a
distancias mayores de 100 Km se requiere instalar amplificadores a intervalos
regulares para compensar esta atenuación de la señal.
Las
señales ópticas, como las eléctricas, pueden ser codificadas en forma análoga (la amplitud de la señal
varía con el tiempo de manera continua y la información se codifica mediante
modulación de amplitud AM o de
frecuencia FM) o en forma digital (la señal se codifica en una sucesión
de ceros y unos que representan unidades de información o bits digitales). Una señal análoga puede ser transformada
en señal digital, en este caso una serie de bits representa la intensidad de la
señal promediada sobre un pequeño intervalo de tiempo (por ejemplo, el tiempo
requerido para transmitir esos bits).
En
sistemas digitales la velocidad de la información se mide como número de bits
que atraviesan un punto en un segundo (b/s). Para lograr velocidades de información
del orden de 10 Gb/s se requieren pulsos extremadamente cortos en el
tiempo. Pero estos pulsos
satisfacen necesariamente relaciones de incertidumbre de la forma
En la técnica de comunicaciones es usual ensamblar haces de docenas de
fibras en un solo cable óptico y, como cada fibra puede transmitir docenas de
canales, cada uno con una capacidad de 10 Gb/s, actualmente es posible enviar en
un solo cable información a una distancia de 4000 Km con una velocidad del orden
de los 30 Tb/s, lo que significa
que se podrían transmitir unos 720
DVDs de vídeo de dos horas en tan sólo un segundo. La tecnología empleada es
conocida como Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM), lo que hace es
multiplicar la capacidad de una fibra dividiendo la luz entre distintos canales
separados; en un plazo no muy largo se podrá sobrepasar la barrera de los petabits
(1015 b/s).
La fibra óptica es totalmente compatible con la tecnología digital, permitiendo la transmisión segura de los datos sin interrupción, además de ser una red muy segura y fácil de instalar. También se emplean en una amplia variedad de sensores, que van desde termómetros hasta giroscopios, igualmente pueden resultar especialmente útiles cuando los efectos eléctricos podrían hacer que un cable convencional resultara inútil, impreciso o incluso peligroso; también se han desarrollado fibras que transmiten rayos láser de alta potencia para cortar y taladrar materiales. Finalmente, el enorme crecimiento de internet está impulsando investigaciones sobre nuevas formas de fibras ópticas con diferentes mecanismos de confinamiento de luz.
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