LOS LÁSERES Y LA ASTROFÍSICA

La Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura, Unesco, organismo especializado de las Naciones Unidas,  proclamó el 16 de mayo como Día Internacional de la Luz. En efecto, un día como ese, en 1960, el físico e Ingeniero Theodore  Maiman, en USA, hizo funcionar por primera vez un láser de rubí, que emitió pulsos de luz de color roja, denominándolo  “máser óptico” pues el máser, predecesor del láser,  que emitía microondas, ya existía.  Tiempo después, fue denominado directamente láser por Gordon Gould, o sea era el acrónimo por “Light amplification by Stimulated Emission of Radiation”. En el caso del máser, la m era por “microwaves”.

En realidad para comprender cómo se pudo llegar a este estado del conocimiento de la radiación luminosa, conviene recordar algunos grandes descubrimientos sobre la radiación, que incluyen a la luz, y que fueron la base de sustentación de las ideas comprendidas en el funcionamiento del máser-láser. En el año 1900 el físico alemán Max Planck, ​dedujo la ley  que lleva su nombre, y  explicó cómo se emite la radiación térmica a una determinada temperatura, en función de la longitud de onda. Para ello introdujo la hipótesis fundamental del “quantum” de energía radiante. Esta hipótesis fue una verdadera revolución en la física, y con el correr de los años, con más descubrimientos basados en esa simple idea, lo fue también para todo el conocimiento humano. El premio Nobel le fue otorgado en 1918 precisamente por esta idea. En 1905 ​Einstein logró explicar el efecto fotoeléctrico  introduciendo el concepto de fotón o “cuanto” de luz. Ganó así el premio Nobel del Física en 1921. En 1911, Niels Bohr ​introdujo el primer modelo atómico, y presentó una explicación para la generación de fotones a través de las transiciones atómicas, lo que fue premiado con el  Nobel de Física de 1922.

A partir de estos aportes geniales, se puede afirmar que se había comenzado transitar el camino hacia la primera gran idea, base de la radiaciones máser y láser. En efecto, en 1917 Einstein se plantea si a partir de estos nuevos conocimientos cuánticos, aportados por Planck, el mismo Eínstein y Bohr, era posible rehacer la demostración de la ley de Planck, pero de una forma totalmente cuántica. Para ello tuvo que introducir una gran novedad: él observa que su cálculo era correcto y podía volver a obtener la ley de Planck,  si se aceptaba que existía una nueva forma de radiación, que él llamó estimulada, por la forma en que se producía. A la existente hasta ese momento, que fue la encontrada por Bohr en su modelo atómico, la bautizó como radiación espontánea. O sea que la radiación estimulada se descubrió increíblemente por el cálculo de Einstein. Es decir por una idea. Aceptar que esta radiación no observada hasta ese momento, realmente existía, implicaba entonces que el cálculo nuevo resultaba correcto y era posible obtener con razonamientos cuánticos,  la ley de Planck. Por ende se comenzó a aceptar que dicha radiación debía existir. Pero era necesario observarla.  La predicción de Einstein era cuanto menos sumamente audaz. La publicó y esperó para ver si realmente existía. Pocos años después, varios físicos entre ellos Futchbauer, Ladenburg y Kopfermann, en la década de 1920/30 encontraron experimentalmente la radiación estimulada y la analizaron. Einstein una vez más tuvo razón. Pero el experimento quedó en una simple verificación de su existencia, y esa nueva radiación quedó esperando su turno, para pasar a tener una gran importancia. Es de destacar los trabajos del Dr. Enrique Gaviola, físico argentino que trabajó en los mismos años sobre características de las mismas  emisiones, haciendo experimentos que dieron lugar a valiosas publicaciones.  Y si bien no lo explicitó, también es fuertemente probable que haya trabajado y observado la emisión estimulada, tal como se puede deducir de sus publicaciones.

Frabrikant, un físico ruso, en el año 1940, cuando ya había comenzado la 2da. guerra mundial, propuso por primera vez, que la inversión de población podía conducir a la amplificación de la radiación de la radiación estimulada. En los años 50, C.H. Townes encontró la forma de invertir las poblaciones en los niveles  rotacionales  del amoníaco.  Le acopló un resonador para que la radiación interactuara fuertemente con dichas moléculas y lograr así oscilaciones en la zona de las microondas. Había construido el primer máser, predecesor del  máser óptico. Publicó sus trabajos en 1954 y en 1955 junto a dos colaboradores. Y por otra parte, dos físicos rusos,  N. Basov y A. Prokhorov, también publicaron algo similar en esos mismos años.  Al poco tiempo, los esfuerzos para llevar a la zona del visible del espectro electromagnético el fenómeno máser, fueron compartidos por varios investigadores, entre ellos claro está, C. Townes, quien en 1958, con A.L. Schawlow, trabajando en la Universidad de Columbia, publicaron en el Physical Review,  un trabajo teórico que sería pionero, y en el cual hicieron con ese objetivo, una propuesta concreta, para la construcción de un instrumento,  llevando entonces esas ideas al espectro visible, o sea a la luz.   Y así se llega entonces al 16 de mayo de 1960, cuando  Theodore Maiman, hizo funcionar el  primer láser que emitía luz en 694,3 nm, o sea en el rojo. Después de emitir un pulso, había que esperar unos minutos para  que la barra se enfríe, y así poder emitir el siguiente. La radiación que emitía fue reconocida por sus propiedades de alta coherencia. Poco tiempo después se acuñó una frase sobre este nuevo descubrimiento, que decía que “era una solución en busca de un problema”. Tenía muchas posibilidades pero no se sabía en ese entonces en qué aplicarlo.

Maiman en la construcción de su láser, aplicó las teorías sobre los máseres,  y las que  habían sido  publicadas unos dos años antes por A. Schawlow y C. Townes en USA. Este último, C. Townes, junto a los rusos N. Basov y A Prokhorov, lograron en 1964 el premio Nobel,  “por sus trabajos fundamentales en electrónica cuántica, lo cual condujo a la producción de osciladores y amplificadores de acuerdo al principio del máser-láser”, y  A.  Schawlow en 1981 ”por sus contribuciones al conocimiento de la espectroscopia láser”. Sin duda alguna, el láser resultó ser una fuente de radiación de características inusuales, apto para realizar investigaciones sobre la interacción radiación-materia, entre muchas aplicaciones. La tecnología vinculada a estos descubrimientos creció de una forma verdaderamente notable. Se construyeron una gran cantidad de diferentes tipos de láseres. Las aplicaciones fueron extendiéndose a diferentes ramas de la ciencia y de la tecnología. Las publicaciones y los libros vinculados a estos temas fueron creciendo de una forma notable.  La industria desarrolló numerosos productos vinculados también  a este nuevo conocimiento. También hubo importantes aplicaciones de índole militar. El láser aparecía como una fuente de radiación de gran interés  para investigaciones vinculadas a una temática amplia y variada. Esto quedó evidenciado por el posterior otorgamiento de otros premios Nobel vinculados, que fueron concedidos a Steven Chu en 1997 “por el desarrollo de métodos para enfriar y atrapar átomos con luz láser”, y en 2005 a Theodor W. Hänsch y John L. Hall “por sus contribuciones a la teoría cuántica de coherencia óptica y al desarrollo de la espectroscopia de precisión basada en láser, incluyendo la técnica de peines de frecuencia óptica”.

Un  evento muy comentado y analizado dentro de la historia del láser, ha sido sin duda el tema de las patentes y los serios problemas legales y las graves disputas que se suscitaron. Gordon Gould, fue  un científico norteamericano, que luego de graduarse,  participó un tiempo en el proyecto Manhattan sobre la bomba atómica, entre 1944 y 1945, el cual fue obligado a abandonar por sus ideas políticas. A partir de 1949 se dedicó a realizar su tesis doctoral en la Universidad de Columbia supervisado por el premio Nobel  Polikcarp Kusch (1955) por “determinar el momento magnético del electrón”.  El tema de su tesis era el bombeo óptico, y en 1956 G. Gould propuso utilizarla para bombear un máser óptico, tema el cual llegó a conversarlo con C. Townes y con su conocimiento y apoyo,  realizó más tarde en 1959 una presentación en la oficina de  patentes de USA, sobre la cual hay un registro notarial previo que lo atestigua. Ahí fue donde utilizó por primera vez el acrónimo láser. Pero unos meses antes dicha oficina de patentes, ya había recibido de los laboratorios de la Bell otra solicitud a nombre de Schawlow y Townes. Se registraron numerosas patentes en temas vinculados al láser y sus aplicaciones. Transcurrieron unos 30  años de largos procesos, hasta que finalmente se fueron concluyendo, después de pasar por las más altas autoridades de USA, y le otorgaron a Gould varias patentes sobre el láser, y otras por supuesto, a Townes y Schawlow. También Gould obtuvo varias patentes en otros países del mundo. Todo esto llevó a complicar la autoría sobre el verdadero inventor del láser y de algunos temas conexos, lo cual aún hoy sigue vigente, tal como lo muestra la abundante literatura al respecto.

Un tema de gran interés científico, que apareció  tiempo después de que los láseres comenzaron a ser conocidos y utilizados, es el concerniente a los láseres y máseres astrofísicos en el espacio. En efecto, pocos años después de su invención, se descubrió en primer lugar la existencia de máseres astrofísicos naturales en el espacio.  Fue un evento altamente impactante entre los investigadores  astrónomos y astrofísicos. Este tema comenzó hacia 1963, es decir 3 años después del primer láser, cuando Alan Barrett del MIT, USA, y sus colegas, detectaron por primera vez, una señal generada  molécula de  OH en el espacio. Posteriormente el Prof. H. Weaver, y su grupo de la Universidad de California, Berkeley, en 1965 confirmaron la noticia. Se logró verificar que había una fuerte emisión en la zona de microondas, correspondiente a esa molécula. Inicialmente no se detectó  que era  emisión máser, pero tiempo después, otros estudios lo confirmaron por sus  características, ya que era una emisión máser de gran intensidad y de ancho de banda muy estrecho, a 18,5 cm. Posteriormente en 1969 se encontró la emisión máser de la molécula de H2O en 1,35 cm.  Fueron observadas en el espacio, unos 10 años después de la invención del máser, lo cual permitió reconocerla.  Tiempo después se encontraron otras emisiones máser proveniente de más de 100 moléculas, en diferentes lugares del Universo. La búsqueda de emisión láser natural en el espacio, comenzó a tomar también forma a finales de la década del 60, por parte de varios científicos. Pero fue recién en 1976 que se logró  verificar la emisión láser por parte de la molécula de CO2  en 10,6 μm o sea en el infrarrojo, en las atmósferas de Marte y de Venus. Varios experimentos posteriores verificaron  este descubrimiento. También se descubrió en 2002 y en años posteriores emisión láser en los iones Fe+ en la zona de 1 μm  y en 2005 en los átomos de O en 844,6 nm. Otros efectos de interés fueron también estudiados. El tema es hoy en día de un enorme interés para las investigaciones de la astrofísica mundial.  Es decir que es posible afirmar que el Universo hay radiaciones máser y láser, y que podrían ser en un futuro  de gran utilidad, por ejemplo para comunicaciones interestelares.

Dr. Eduardo Jaime Quel