miércoles, 6 de junio de 2012

Las tres aberraciones de la física

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Dice el diccionario de la RAE que una aberración es un "grave error del entendimiento" o un "acto o conducta depravados, perversos, o que se apartan de lo aceptado como lícito". Pero no voy a hablar ni de graves errores ni de conductas depravadas de los físicos. Lo siento si decepciono a algún lector. A lo que los físicos llaman aberraciones es a ciertos comportamientos de la luz que se apartan de las predicciones de los modelos simples con los que tratan de describirla. Hasta que algún físico más listo mejora el modelo y es capaz de explicar el fenómeno, que al final no resulta ser tan depravado como parecía. Imagino que se llaman aberraciones porque a alguien en su momento le pareció, en su desesperación por tratar de explicarlas, que demostraban la perversidad de la naturaleza.


Aberración cromática en una lente convexa (Andreas 06, 2006)
En primer lugar está la llamada aberración cromática. Al atravesar una lente convergente, un haz de rayos de luz paralelos converge en un punto, llamado foco. La posición de este foco determina la llamada distancia focal de la lente, definida como la distancia desde el centro óptico de la lente hasta el foco. La distancia focal de una lente depende, entre otras cosas, de su índice de refracción, que mide la reducción que sufre la velocidad de la luz (y la desviación que sufren los rayos) al penetrar en la lente. Y aquí es donde aparece la aberración cromática; porque el índice de refracción de un material varía con la longitud de onda de la luz, o sea, con el color. Así, el foco de la lente no es exactamente el mismo para la luz roja que para la amarilla o la azul. Igual que la luz blanca se descompone al atravesar un prisma, también se descompone ligeramente al atravesar una lente. Es lo mismo que ocurre con las gotas de lluvia, que descomponen la luz y generan los arcoíris. Así, una lente no forma una sola imagen de los objetos, sino una imagen diferente para cada color, cada una de ellas enfocada en un punto ligeramente distinto. El resultado es un desenfoque que se plasma en la aparición de halos de color alrededor de los objetos en las imágenes. Los optometristas se aprovechan de este fenómeno para graduar la vista: El enfoque sutilmente diferente de la misma imagen en verde y rojo sirve para afinar la corrección más adecuada.

Una fotografía con aberración cromática (Kitkatcrazy, 2007)
Existen varias formas de reducir o eliminar la aberración cromática. La forma más común es el uso de dobletes acromáticos, formados por la unión de dos lentes de diferentes materiales, de manera que la aberración cromática se compensa (aunque no completamente). Se puede mejorar la corrección añadiendo otra lente, formando un triplete apocromático. Además, en la actualidad se utilizan vidrios ópticos que incluyen en su composición materiales como óxidos de tierras raras, boro, dióxido de circonio, fosfatos, fluoruros..., y cuya aberración cromática es pequeña.

Corrección de la aberración cromática con un doblete acromático (Andreas 06, 2006)
Un doblete acromático suele estar formado por una lente cóncava de elevado índice de refracción, y una lente convexa con un índice de refracción bajo. El primero que construyó un doblete acromático, hacia 1730, fue el abogado británico Chester Moore Hall, aficionado a los telescopios. Para guardar el secreto sobre su invención, encargó la fabricación de las dos lentes a dos ópticos diferentes, Edward Scarlett y James Mann. Pero quiso el azar que ambos ópticos subcontrataran el trabajo al mismo fabricante, George Bass. Bass se dio cuenta de la utilidad de la lente compuesta y, hacia 1750, reveló el secreto al óptico inglés John Dollond, que consiguió reproducir el doblete y lo patentó en 1758. Sin embargo, Dollond fue honrado y, sabiendo que él no era el verdadero inventor y que otros ópticos ya fabricaban dobletes como los suyos, nunca hizo valer su patente. Gracias a Dollond, el uso de los dobletes acromáticos se popularizó. Sin embargo, después de su muerte, su hijo Peter, heredero de la patente, emprendió acciones legales contra sus competidores, y provocó la ruina de muchos de ellos. Tras la expiración de la patente, en 1772, los precios de los dobletes acromáticos en Inglaterra se redujeron a la mitad. Peter Dollond fue además el inventor del triplete apocromático.

Otra forma de eliminar la aberración cromática es la sustitución de las lentes por espejos. Es la solución adoptada en la mayor parte de los telescopios modernos, aunque para otros usos, como las gafas, no resulta práctica. Los espejos eliminan completamente la aberración cromática, ya que con ellos la luz no debe atravesar medios con distintos índices de refracción. Pero los espejos, igual que las lentes, sufren de otra aberración, la llamada aberración esférica.

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