ELECTROMAGNETISMO Y LUZ
Puede que a mediados del siglo XIX la frontera americana en expansión no hubiera visto muchos luchadores contra el crimen disfrazados, pero no había escasez de héroes que quisieran pelear por la verdad, la justicia y el estilo de vida del Oeste. Cosa buena, ciertamente, ya que la popularidad de los cómics del oeste experimentaron un auge vertiginoso en la década de los años cincuenta del siglo XX, ayudando a la solvencia de los editores de cómics durante el desplome de los superhéroes precipitado por la campaña lanzada por la Seducción del inocente del Dr. Wertham. All-American Comics, que presentaba las aventuras de Linterna Verde y la Justice Society of America, se convirtió en All-American Western, protagonizada por el «llanero luchador» Johnny Thunder (maestro de escuela durante el día, pistolero de noche) y All-Star Comics se convirtió en All-Star Western con los Trigger Twins. En el mundo de DC, el rebelde solitario Jonah Hex, lleno de cicatrices (físicas y psicológicas) recorría el oeste de Estados Unidos enderezando entuertos y protegiendo viudas. De modo semejante, Bat Lash y el Vigilante administraban la justicia… bueno, por su mano. En el universo Marvel, los cómics del oeste eran cosa de muchachos, con el Chico Two-Gun, el Chico Colt, Chico Ringo y Chico Rawhide, procediendo en esencia del mismo modo, yendo de pueblo en pueblo (aunque raramente se encontraban entre sí) enfrentándose a buscavidas y ladrones de diligencias. Mientras los representantes de la ley de mediados del siglo XIX fueron limpiando el Salvaje Oeste, tanto en nuestro mundo real como en el de los cómics, los físicos elucidaban las propiedades de la electricidad y el magnetismo, sentando los cimientos de nuestro estilo de vida inalámbrico.
En 1862, el físico escocés James Clerk Maxwell, mientras se agravaba la guerra civil, dio un monumental salto teórico relacionando la electricidad y el magnetismo y entró triunfalmente en una era de avance científico. Las ecuaciones halladas por Coulomb, Gauss, Ampère y Faraday se conocen ahora con el título genérico de «ecuaciones de Maxwell», ya que éste reconoció cómo se combinaban para predecir y proporcionar una comprensión fundamental de la radiación electromagnética. Ninguno de esos científicos hubiera protagonizado su propio cómic, pero sin ellos seguiríamos leyendo a la luz de las velas.
Para comprender cómo funciona una tostadora o una bombilla eléctrica, recuerde la analogía del agua que antes invocamos para explicar las corrientes eléctricas: la presión del agua del grifo era el análogo de un voltaje eléctrico, mientras que la cantidad de agua por unidad de tiempo fluyendo a través de una manguera representaba la corriente eléctrica. Para indicar que la manguera no era perfecta y que había que aplicar continuamente una presión finita para mantener un flujo constante a través de ella, sugeríamos que la manguera tenía regiones parcialmente bloqueadas así como pequeños boquetes a lo largo de su extensión, a través de los cuales podía escapar el agua y dejar de participar en el flujo principal de corriente. Alternativamente, para una presión de agua fija, cuanto mayor es la resistencia, menor es la corriente. Estos principios de sentido común se pueden combinar en una sencilla ecuación:
VOLTAJE = CORRIENTE X RESISTENCIA
Se la conoce como ley de Ohm, por Georg Ohm, otro científico pionero de los primeros tiempos del electromagnetismo, en honor del cual recibe su nombre la unidad básica de resistencia. Cuanto más larga y delgada sea la manguera, y más obstrucciones y agujeros tenga a lo largo de su recorrido, mayor es la resistencia del flujo de corriente. Una gran presión en uno de los extremos de una manguera larga y estrecha corresponderá en el otro extremo a un escaso goteo, a una distancia de varios kilómetros del grifo. Es por esto que son gruesos y cortos sus cables de puente, para que la corriente suministrada por una batería no se degrade en el intervalo que tarda en llegar a la segunda batería.
Los agujeros en la manguera representan pérdida de energía, y explican, en nuestra analogía con el agua, por qué una presión uniforme (fuerza) produce una corriente constante de agua, y no una corriente que se acelera como indicaría la segunda ley de Newton. Los cables de cobre no tienen como es obvio agujeros a través de los cuales puedan escaparse los electrones, pero ofrecen resistencia. En un extremo del cable los electrones experimentan una gran fuerza debido al voltaje acelerador. Por lo tanto tienen una gran energía potencial. Al fluir a lo largo del cable, su energía potencial se convierte en cinética. Cuanto mayor es su energía cinética, más rápidamente se moverán los electrones por el cable, y mayor es la corriente.
Las imperfecciones o impurezas del cable son un impedimento para la velocidad, y los electrones que se mueven rápidamente chocan con estos defectos, transfiriéndoles parte de la energía y haciendo que los átomos vibren, que es la causa por la que se calientan los cables. Para un voltaje dado, la corriente resultante está determinada por el balance entre la energía cinética ganada por los electrones debido al voltaje aplicado y a la energía transferida a las imperfecciones. Estas imperfecciones son impurezas o átomos que están fuera del alineamiento cristalino del resto de la retícula. Como tales, tienen su propia nube de electrones a su alrededor, al igual que los otros átomos del cable. Cuando esas imperfecciones se agitan tras las colisiones con la corriente eléctrica, sus cargas eléctricas oscilan. Considere una variación del péndulo oscilante del capítulo 9, en el cual la masa sujeta a un delgado resorte lleva ahora también una carga eléctrica. A medida que la masa cargada se desplaza hacia delante y atrás es una corriente eléctrica, pero una para la cual cambia continuamente la velocidad de la carga. De esta forma genera un campo magnético que también cambia en magnitud. Sin embargo, un campo magnético cambiante induce una corriente eléctrica. La carga oscilante generará continuamente por lo tanto un campo eléctrico variable en fase con un campo magnético cambiante, radiando al espacio. Cuanto más rápidamente oscile la masa cargada mayor será la frecuencia de las oscilaciones eléctricas y magnéticas creadas. Puesto que las ondas eléctricas y magnéticas tienen energía, el péndulo oscilante cargado se irá frenando, aunque no haya resistencia del aire. Hay un nombre especial para los campos eléctricos y magnéticos oscilantes creados por el movimiento armónico del péndulo cargado: se llama luz.
Por qué las lentes de rayos X anunciadas en los cómics son una estafa total
Los átomos oscilantes de impureza en un cable que transporta una corriente dan lugar a campos eléctricos y magnéticos oscilantes. Cuanto más rápidamente oscilan los electrones de las imperfecciones del cable, mayor es la frecuencia de las ondas electromagnéticas generadas. A temperatura ambiente, todos los átomos (y sus electrones) del cable vibran a un ritmo de aproximadamente mil millones de ciclos por segundo. En consecuencia, cualquier objeto a temperatura ambiente emite ondas electromagnéticas de una frecuencia de mil millones de ciclos por segundo. Las ondas electromagnéticas con esta frecuencia de vibración se llaman radiación infrarroja. Cuanto mayor es la temperatura, más deprisa baten los átomos del objeto, y mayor es la frecuencia de la radiación emitida.
Dependiendo de lo rápidamente que se agitan las cargas de los átomos, es decir, de cuántas veces por segundo se mueve adelante y atrás, las ondas pueden tener una longitud de onda (la medida de la distancia entre picos de la onda) desde algunos metros hasta el diámetro de un núcleo atómico. En el primer caso, a esas ondas electromagnéticas las llamamos ondas de radio (con una frecuencia de alrededor de un millón de ciclos por segundo) y en el segundo caso las ondas ultracortas reciben el nombre de rayos gamma (con una frecuencia de más de mil billones de ciclos por segundo). Los rayos gamma tienen más energía y pueden por lo tanto dañar más a una persona que las ondas de radio, como se refleja en el hecho de que nadie ha ganado nunca superpoderes al estar en las proximidades de una antena de radio de FM. Pero en esencia ambos son el mismo fenómeno. Para que los átomos de un cable, tal como el delgado filamento del interior de una bombilla, emitan ondas electromagnéticas que nuestros ojos puedan detectar, lo que llamamos luz visible, los átomos han de agitarse oscilando unos mil trillones de veces por segundo.
Estamos finalmente capacitados para entender por qué brilla el Sol. Como se mencionó en el capítulo 2, la intensa presión gravitatoria en el centro del Sol significa que los protones (núcleos de hidrógeno) choquen con frecuencia de forma que algunos se funden entre sí para formar núcleos de helio. La masa de un núcleo de helio es ligeramente menor que la de los dos protones y dos neutrones por separado, y el déficit de masa corresponde a una gran liberación de energía, según la expresión de Einstein E = m c2. Esta energía emitida equilibra la atracción gravitatoria hacia el interior, y el Sol se mantiene relativamente estable a medida que quema su combustible (y cada segundo se quema mucho combustible, 600 millones de toneladas de hidrógeno). Parte de la energía resultante de esta reacción de fusión tiene la forma de energía cinética, y los núcleos de helio cargados que se mueven rápidamente emiten radiación electromagnética al acelerarse. La aceleración es la razón de cambio de la velocidad, y así cada vez que los núcleos de helio aumentan su velocidad, frenan o bien cambian de dirección al chocar con otros núcleos del denso núcleo estelar, emiten luz. Resulta que la luz que vemos procedente del sol es muy antigua, al abrirse camino lentamente desde el centro del Sol hasta la superficie. Es difícil ver algo en una noche nublada porque la densa atmósfera saturada de agua dispersa la luz en todas las direcciones. La densidad es mayor en el interior de nuestro Sol, y la luz generada por una reacción nuclear tarda un promedio de 40.000 años antes de que pueda difundirse desde el núcleo hasta la superficie solar.
Nuestros ojos pueden ver la luz visible porque la mayor parte de la luz del Sol que atraviesa la atmósfera está en esta porción del espectro electromagnético. Cuando evolucionaron las criaturas sin ojos hasta dotarse de visión, los ojos que desarrollaron eran especialmente sensibles al tipo de ondas electromagnéticas más predominantes. Hay menos rayos X emitidos por el Sol que nos alcanzan, en comparación con la luz de la porción «visible» del espectro. En consecuencia, si nuestros ojos se hubieran sintonizado solamente a los rayos X, viviríamos en un mundo de oscuridad casi total. Aquellas criaturas que viven en oscuridad total, tales como las que habitan las profundidades del océano en las que no penetra la luz solar, no desperdician recursos genéticos en ojos superfluos ni en pigmentación de la piel, sino que se apoyan en otros sentidos para navegar en su mundo.
Volviendo a la Edad de Plata de los cómics, vendedores sin escrúpulos, sacando partido de los intereses lascivos de los lectores de cómics, vendían «gafas de rayos X» que prometían al usuario la posibilidad de ver a través de objetos sólidos tales como la ropa. Si bien esas lentes de rayos X empleaban un principio similar a las gafas de «visión nocturna», que convierten la radiación infrarroja en luz visible, (más sobre ello en la sección tres) no hay suficientes rayos X fuera del despacho de un dentista como para convertirlos en un producto útil. Así que trate de mantener su dinero alejado de esas empresas.
Los animales que son principalmente nocturnos dedican la mayor parte de sus receptores ópticos a los bastoncillos de alta sensibilidad, sacrificando la visión de los colores que tienen menos conos, a fin de detectar las pocas ondas electromagnéticas presentes. Pero cualquier animal o persona que desarrollara una «visión de rayos X» pasaría la mayor parte de su tiempo tropezando con objetos, y ello sería una clara desventaja evolucionista. Cuantos más electrones tiene un átomo, más intensamente dispersa los rayos X. Esto explica por qué los rayos X pueden penetrar a través del tejido blando (que en su mayor parte es agua) hasta reflejarse en los huesos mucho más densos. Probablemente Superman es capaz de emitir rayos X a partir de sus ojos, que penetran a través de materia de baja absorción antes de reflejarse y ser detectados por el Hombre de acero. Los que no son de Krypton solamente pueden ver la luz de una fuente externa reflejada por un objeto en dirección a nuestros ojos. Al cuerpo humano le supone un gasto de energía y de materia prima el desarrollar células del nervio óptico sensibles a luz de baja longitud de onda, de modo que hay poco interés en el desarrollo de una capacidad para detectar los ocasionales rayos X.
Seguro que está pensando en que debería tener un casco de papel de aluminio
El jefe del equipo mutante de superhéroes conocido como la Patrulla X es el telépata en silla de ruedas Charles Xavier, conocido también como Profesor X. Aunque su destrozada espina dorsal le haya dejado incapaz de caminar, era un formidable general para su equipo de mutantes «buenos» gracias a su capacidad para leer y proyectar sus pensamientos en las mentes de otros. La base física de la telepatía del Profesor X (y la de su protegida Jean Grey, así como la de Saturn Girl de la Legión de Superhéroes, de hecho) es que las corrientes eléctricas variables en el tiempo pueden crear ondas electromagnéticas detectables por alguien suprasensible.
Todas las células de nuestro cuerpo tienen una función. Las células de los músculos existen para generar una fuerza, tanto si se trata de la flexión del bíceps como del bombeo del corazón. Las células del hígado filtran las impurezas de la sangre, mientras que las del estómago y del intestino las sitúan ahí en primer lugar. El papel de las células nerviosas o neuronas es el proceso de la información. Una forma de efectuar esto es transmitiendo y alterando corrientes eléctricas. Los objetos cargados que se mueven de una neurona a otra no son electrones, sino átomos de calcio, sodio o potasio que o bien han perdido uno o más de sus electrones o bien han adquirido electrones extra (tales átomos cargados se llaman iones). Una acumulación de iones en una región del cerebro crea un campo eléctrico que a su vez obliga a otros iones de otras neuronas a moverse. Los iones en movimiento constituyen una corriente que genera un campo magnético. Experimentos de neurocientíficos que utilizan electrodos sensibles colocados en el interior del cerebro pueden detectar los campos eléctricos generados por el movimiento de dichos iones, que normalmente varían al azar en el tiempo. En función de donde se localice el electrodo en el cerebro y de la tarea que éste esté realizando, los campos eléctricos registrados adoptarán una forma de onda coherente, oscilando según diversos ciclos periódicos antes de volver abruptamente al fondo azaroso. Los neurocientíficos están iniciando la difícil tarea de identificar las variaciones de voltaje y determinar su significado (si es que hay alguno) en relación con tareas de comportamiento. La mente humana, con toda su vasta complejidad, está construida a partir de tales sencillos elementos.
Aunque los científicos están muy lejos de entender cómo, de ser así, las corrientes eléctricas del cerebro conducen a la consciencia, hay un aspecto de las corrientes neuronales en el que podemos confiar: el que las cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos. A su vez, debido a que las corrientes iónicas del cerebro están cambiando continuamente de dirección y de magnitud, los correspondientes campos magnéticos varían con el tiempo y crean a su vez corrientes eléctricas. El efecto neto es que a partir del cerebro radian ondas magnéticas de muy baja frecuencia siempre que tiene lugar una actividad eléctrica. Las longitudes de onda, las amplitudes y las fases de esas ondas electromagnéticas están determinadas por las corrientes iónicas dependientes del tiempo a partir de las cuales se originan. La amplitud de esas ondas es extremadamente débil, pues su potencia es de más de mil millones de veces menor que el fondo de ondas de radio que nos rodea en todo momento (ordinariamente, el hecho de que vivamos en un mar de señales de radio es ignorado, hasta que uno enciende un receptor de radio y no puede sintonizar claramente una estación particular). Pero las ondas electromagnéticas creadas por las corrientes cerebrales existen, aunque su intensidad sea demasiado débil para ser observada a menos que el sensor esté colocado directamente sobre la cabeza de la persona. En el caso de ciertos poderosos mutantes tales como el Profesor X, o residentes de la luna Titan del siglo XXX (Saturn Girl) su excepción milagrosa implica cerebros lo bastante sensibles como para detectar las ondas electromagnéticas generadas por los pensamientos de otros. Naturalmente, si usted está usando un casco de metal (una precaución adoptada por el diabólico hermanastro de Xavier, Juggernaut; Magneto y otros precavidos enemigos de la Patrulla X) entonces su cabeza estará blindada de forma que las ondas electromagnéticas salientes (y cualesquiera entrantes) resultan apantalladas.
Una piedra lanzada a un estanque crea una serie de ondulaciones que se vuelven más débiles a medida que se alejan del punto de caída. Las moléculas de agua tienen una gran cantidad de energía cinética, impartida por la piedra que cae. Pero cuando las ondulaciones se hacen más extensas, la cantidad de energía de las moléculas de agua se reparte a lo largo de las circunferencias crecientes. La energía cinética de las moléculas de agua por unidad de longitud del borde del anillo se diluye a medida que el agua se propaga hacia fuera, de forma que para una piedra lanzada en medio del océano Pacífico en la costa de California no se produce ningún cambio perceptible. Del mismo modo se produce una disminución de la intensidad de las ondas electromagnéticas cuanto más se aleja uno de su origen. El hecho de que la intensidad de las ondas electromagnéticas decrezca con la distancia al origen de las mismas explica por qué, cuando el Profesor X necesita localizar a un mutante particularmente alejado, utiliza un amplificador electrónico de sus poderes mentales llamado Cerebro. Presentado por primera vez en el número 7 de X-Men como un mutante automatizado detector de ondas cerebrales, fue adaptado en siguientes ejemplares para aumentar la sensibilidad de los poderes telepáticos del Profesor X. El reconocimiento de que a fin de detectar una señal electromagnética distante uno debería utilizar un amplificador externo es consistente con el mecanismo físico que fundamenta el poder mutante del Profesor X. Es también por esto por lo que las estaciones de radio y de televisión utilizan megavatios de potencia para transmitir sus señales. Un vatio es una unidad de potencia, definida como la energía (en julios o en kgm2/s2) por segundo, y un megavatio es un millón de vatios. Cuanto mayor es la potencia con la que puede emitir una estación de radio, mayor será la intensidad de las ondas electromagnéticas que alcanzan una antena remota, y mayor será la señal recibida por el receptor de radio. Las estaciones de radio comerciales generan sus señales merced a cambios oscilantes en una antena grande. Su receptor de radio o de televisión no emplea la tecnología de Cerebro para amplificar la señal distante, sino que utiliza transistores para esta función, de los que nos ocuparemos en detalle en el capítulo 23.
La detección de ondas electromagnéticas creadas por los pensamientos de alguien es una cosa, pero ¿podemos invertir el proceso para determinar las corrientes neuronales que las generaron, es decir podemos realmente leer e interpretar los pensamientos de otra persona? Sí, el profesor X y Saturn Girl probablemente lo hacen del mismo modo que funciona la «televisión invertida». Déjeme explicarle cómo funcionaría esto.
Las señales de televisión consisten en ondas electromagnéticas enviadas por un transmisor potente que, luego de tropezar con la antena del tejado, hace que las cargas oscilen con una frecuencia y amplitud característica de la señal incidente. La información codificada en la onda electromagnética se envía entonces al televisor. El corazón del conjunto es el tubo de imagen que consiste en una gran superficie de vidrio en el cual se ha evaporado un material fosforescente que emite un breve destello de luz cuando es golpeado por un electrón energético. Esta cara de vidrio es uno de los lados de una caja de vidrio de forma irregular. En el extremo estrecho de la caja hay un cable, calentado por una corriente eléctrica de modo que los electrones son expulsados del mismo. Estos electrones, ahora libres, se dirigen, mediante placas «guía» metálicas a voltajes convenientes, hacia el otro extremo del tubo de imagen, es decir hacia el extremo que tiene la gran superficie recubierta de material fosforescente. Eligiendo el voltaje correcto en las placas metálicas de guía, los electrones pueden dirigirse para que choquen en una región específica de la pantalla. El interior del tubo del televisor está al vacío, para reducir así el número de moléculas vagabundas de aire que podrían provocar desviaciones no deseadas del haz electrónico. Mí donde el haz choca con la pantalla, depositando su energía cinética en el material fosforescente, provoca que se emita un destello de luz. Los voltajes aplicados a las placas de guía se ajustan a continuación, y el haz de electrones se dirige ahora a otra posición de la pantalla, iluminando otro fósforo o dejándolo oscuro si el haz se ha detenido. Este proceso sigue hasta que el haz de electrones se ha desplazado a través de toda la pantalla. Una serie determinada de regiones iluminadas y oscuras a través de la pantalla proporciona una imagen en la cara delantera del televisor.
Al cambiar ligeramente la imagen proyectada sobre la pantalla se puede producir la ilusión de movimiento. Una emisión de radio simultánea con la transmisión de las señales luminosas proporciona el sonido. Si en el punto en que incide el haz de electrones se utilizan tres fósforos distintos o filtros emitiendo luz roja, verde y azul, entonces mediante ligeros ajustes de la cuantía en que debe iluminarse cada filtro en cada posición se tendrá como resultado una imagen en color. La física básica que es el fundamento de la televisión es que la información codificada en la onda electromagnética contiene un conjunto de instrucciones sobre la magnitud y la duración de los voltajes a aplicar a las placas guía.
El haz de electrones variable en el tubo de imagen produce a su vez su propio conjunto de ondas electromagnéticas, diferente de las ondas recibidas por la antena, pero relacionadas con la imagen del televisor. Una antena sensible situada cerca de este monitor podría detectar esas ondas electromagnéticas y, con el software apropiado, reconstruir la imagen que la corriente electrónica trata de crear. Este «televisor inverso» es una forma muy ineficaz de tener dos aparatos mostrando la misma imagen, pero sería un método mediante el cual una persona podría leer la información proyectada sobre el monitor de un ordenador sin intervenir directamente en el mismo. O por el cual enviar información de un cerebro a otro.
¿Qué hay del Profesor X utilizando el poder de su mente de imitante para controlar las acciones de otros? Experimentos recientes sugieren que esta situación podría no ser tan improbable. Se ha demostrado que no solamente podemos detectar los débiles campos magnéticos creados por las corrientes iónicas del cerebro sino que también es posible el proceso inverso. Los neurocientíficos han desarrollado una herramienta de investigación llamada Estimulación Magnética Transcraneal (EMT)[66]. En este procedimiento se aplica a la cabeza de un sujeto de prueba un campo magnético variable al azar, proporcionando estimulación eléctrica a regiones seleccionadas del córtex cerebral. El tiempo de reacción del sujeto y su capacidad para iniciar un movimiento voluntario de la mano son estorbados por la aplicación del campo magnético externo.
La capacidad para controlar las acciones de otro, utilizando solamente el poder de la mente, no está limitada a los mutantes y a los héroes del siglo XXX de la luna Titán de Saturno. De hecho, he llegado a conocer una demostración de tales asombrosos poderes mentales. Mis clases inducen con frecuencia en mis estudiantes a salir de estampida del aula o a caer en un profundo amodorramiento.