Inventando con la luz. Sir Charles Wheatstone.

De izquierda a derecha: Michael Faraday, Thomas Henry Huxley, Charles Wheatstone, David Brewster y John Tyndal (Wikimedia commons)

Hace poco leí la noticia de la apertura de un nuevo centro nacional de formación en iluminación, el Lighting Training Center. Dicho centro tiene como objetivo ofrecer una formación profesional en las tecnologías de iluminación, como por ejemplo los LEDs (Light Emitting Diodes). Una formación dirigida, principalmente, al sector empresarial e industrial. Desde el campo de la investigación científica, el desarrollo de tecnologías que controlan la luz viene llamándose fotónica. Uno de los centros de referencia en la investigación fotónica, tanto a nivel nacional como internacional, es el Instituto de Ciencias Fotónicas de Cataluña (ICFO). Es un centro donde se investiga en líneas como la óptica cuántica o la nano-plasmónica, pero que, aunque son áreas de investigación científica, también están muy dirigidas para diseñar nuevos dispositivos. El nuevo Lighting Training Center no compite con estos otros centros como el ICFO. Los objetivos de cada uno de ellos son muy distintos. Pero, sin embargo, sí que son complementarios, en cuanto cubren distintos eslabones de una misma cadena: el desarrollo tecnológico y su implantación social en el campo de los dispositivos de luz.

En este post quiero intentar dibujar un fino hilo, a modo de visualización histórica, entre dos mundos, el de la investigación científica y la producción industrial, a través de la figura de Sir Charles Wheatstone  y su investigación en el campo de la instrumentación. Pero, como vamos a ver, también nos vamos a encontrar con otros tantos mundos, como la colaboración interdisciplinar o la educación transversal. Para ello os propongo que, sin más espera, nos subamos a esa máquina que diseñó H.G. Wells en su novela “The time machine” para volver al pasado. Concretamente a ese periodo pre-Victoriano del Londres del siglo XIX.

Ludgate Hill, from Fleet Street (1830 – Londres). Jones & Co; Thomas Home Shepherd. Museum Of London.

En nuestro viaje temporal aparecemos ahí por el año 1833, en la galería de Ciencia Aplicada de la calle Adelaida. Con sus chimeneas a pleno ritmo de revolución industrial, Londres en ese tiempo ofrecía un panorama sugerente para un investigador como Sir Charles Wheatstone. Cada mañana Wheatstone paseaba a ritmo ligero hasta llegar a la Galería de la calle Adelaida. Esta galería se dedicaba a divulgar aspectos relacionados con la ciencia y la tecnología al público general. Entre otras muchas cosas, se había construido un gran tanque de agua y una campana de inmersión para hacer demostraciones públicas de los principios de flotación. La divulgación de la ciencia era una de las preocupaciones en aquel Londres pre-Victoriano. Las aceras golpeadas por bastones, bulliciosas por la mañana, no hacían sacar de su concentración de tono moderadamente grave a Sir Wheatstone, que, antes de llegar a la galería, donde estaba construyendo su nuevo experimento, ya empezaba a pensar sobre las nuevas correcciones de su instrumental o las nuevas medidas que debería realizar. El experimento que tenía entre manos esta vez, trataba de medir la velocidad de la corriente eléctrica. Esta medida, más allá de ser una curiosidad científica del momento, resultaba muy atractiva desde el punto de vista industrial. El telégrafo, en el cual Wheatstone también estaba implicado, podría ser fuertemente reivindicado si esta medida ofrecía un resultado interesante: una velocidad de la electricidad muy alta. Existían ciertas presiones externas para que Wheatstone publicase sus resultados lo antes posible, pero Wheatstone quería tomarse el tiempo necesario para poder elaborar las medidas con toda la calma posible. Independientemente de este tipo de presiones comerciales, nos podríamos preguntar: pero, ¿cómo, o con qué tecnología de ese Londres del siglo XIX, Sir Wheatstone estaba en disposición de medir una velocidad que hoy sabemos que es tan alta? Vayamos poco a poco. Para entenderlo debemos retroceder unos pocos años atrás.

a) El Kaleidofono inventado pro C. Wheatstone en 1827. b) Patrones luminosos obtenidos con el Kaleidofono. Ref [2]

En el año 1827 Wheatstone inventó un nuevo instrumento, que llamó el Kaleidofono (o Kaleidoscopio fónico). Aunque este instrumento comparte raíz con ese tubo triplemente espejado por el que hemos mirado de niños todos nosotros, su invento no tiene mucho en común con este último objeto. De niño, Whetastone tuvo una gran contacto con la música, ya que tanto su padre como su tío trabajaban como vendedores e inventores de instrumentos musicales. Quizá fue esa la razón por la que dedicó gran parte de sus esfuerzos científicos al estudio de las propiedades del sonido y su propagación. Wheatstone inventó el Kaleidofono con objeto de estudiar cuantitativamente dichas propiedades. Su instrumento ofrecía una traducción entre dos elementos que resultó indispensable para sus siguientes investigaciones. El Kaleidofono permitía estudiar los patrones de las ondas de sonido a través de la reflexión de la luz. La proyección de la luz sobre un espejo transmitía las vibraciones del sonido, generando patrones visuales asociados a esas vibraciones. Aunque esos patrones visuales proyectados por el Kaleidofono finalmente se demostró que no permitían realizar un estudio cuantitativo, si ofrecían una forma muy visual de estudiar un fenómeno físico no directamente observable. Con objeto de explicar el origen del nombre de su invento, Wheatstone explicaba que la aplicación de los principios científicos a través de motivos estéticos o efectos divertidos permitía aumentar su difusión, o incluso ayudaba a recordar e incorporar tales principios.

Dibujo del primer instrumento ideado por Wheatstone para determinar la velocidad de la corriente eléctrica. Entre las bolas g y h se producía una chispa por el paso de la corriente eléctrica. El sistema giraba a 50 revoluciones por segundo a través del eje e – d. Ref [1]

Volvamos a la Galería de la calle Adelaida, donde Wheatstone, quitándose su sombrero, abre la puerta para comenzar un nuevo día de medidas. En su experimento para medir la velocidad de la electricidad, Wheatstone usó una traducción parecida a la empleada en su anterior invención. El paso de corriente, la velocidad de la electricidad, quiso estudiarla analizando chispas de luz. Por tanto, una traducción entre electricidad y luz. La chispa se producía la pasar corriente eléctrica por el aire entre dos bolas conductoras. En el primer intento, wheastone construyó un generador de chispas vertical, que poseía un eje vertical de rotación, de forma que cuando el generador de chispas se ponía a girar existían dos velocidades: la de la chispa pasando de un extremo del conductor al otro (movimiento vertical), y la de los conductores girando (movimiento horizontal). Si el movimiento de giro fuese lo suficientemente rápido, la suma de los dos movimientos generaría una traza de luz oblicua (suma del movimiento vertical y horizontal), y en función de la inclinación de esa traza se podría calcular la velocidad vertical. Eso es lo que pensó Wheastone, pero sus resultados no devolvían ninguna inclinación de la traza de luz. La chispa aparecía al ojo siempre totalmente vertical, como si el generador de chispas no estuviese girando. Parecía, pues, que la velocidad de la electricidad era mucho más alta que la velocidad de giro de su aparato. Sin embargo, este tipo de superposición de movimientos, se ha utilizado como principio de funcionamiento de algunas cámaras ultrarápidas diseñadas posteriormente.

Instrumento de medida usado por Wheatstone para el análisis de la velocidad de la corriente eléctrica. Ref [1]

Nos podemos imaginar a Sir Wheatstone algo molesto al ver que su primer experimento había fallado. Quizá nuestro físico inglés volvería a casa cada día rompiéndose la cabeza intentando pensar una nueva forma más potente de poder analizar la velocidad de la electricidad con chispas luz. Por esos años, el físico Belga Joseph Plateau diseñó el Fenaquistiscopio, que paralelamente también fue inventado por el austriaco Simon von Stumph y llamado Estroboscopio (o rueda estroboscópica). En estos nuevos instrumentos se conseguía simular un movimiento continuo y animado gracias a la rotación de una rueda compuesta por distintas figuras. Fue el comienzo de lo que finalmente se ha constituido como el Cine. Wheatstone, no sabemos si motivado por este tipo de inventos, usó este principio estroboscópico para construir su segundo experimento. En la galería de la calle Adelaida tenia instalado todo un sistema de cables para hacer que la electricidad recorriera una buena distancia. Usó un generador de tres chispas en donde cada uno de ellos estaba conectado en distintos tramos del sistema de cables. Por otra parte, el generador de chispas lo contemplaba a través de la reflexión de un espejo que rotaba a gran velocidad. El espejo rotante estaba sincronizado estroboscópicamente con el interruptor del circuito eléctrico. Mirando al generador de las tres chispas a través del espejo rotante, y estudiando la relación entre el ángulo de mirada y la posición de las líneas de luz, Wheatstone fue capaz de dar una estimación de la velocidad de la electricidad. Sin embargo, su resultado, hoy, después de la revolución relativista, extrañaría a toda persona mínimamente informada: según sus mediciones, la velocidad de la electricidad superaba a la propia velocidad de la luz.

En aquel momento su experimento se entendió por parte de los promotores del telégrafo como una gran demostración de sus altas prestaciones. Sin embargo, se ha detallado minuciosamente como Wheatstone no pudo completar toda la serie de medidas que hubiese querido realizar antes de publicar su artículo. Por otra parte, en aquel entonces, sin una teoría electromagnética bien desarrollada, y sin entender bien todos los aspectos de la electrodinámica y la relatividad, este resultado aun no generaba ninguna incompatibilidad ni incoherencia específica con la velocidad de la luz.  Desde el punto de vista de la interpretación de sus resuItados, una vez desarrollada la teoría electromagnética se dedujo que posiblemente sus medidas estaban relacionadas con un efecto capacitivo entre los recorridos de cables que había dispuesto en la galería de la calle Adelaida.

a) Instrumento para medir la velocidad de la luz a través de un espejo rotante, propuesto por Leon Foucault (1862). b) Esquema del sistema de medición de la velocidad de la luz, usando un espejo rotante octoédrico en condición de sincronizado estroboscópico porpuesto por Albert A. Michelson y Francis G. Peace (1932 – 1935).

Desde el punto de vista instrumental existieron muchas y variadas repercusiones. Algunos de los elementos que Wheatstone usó en su segundo experimento se incluyeron posteriormente para medir, precisamente, la velocidad de la luz. Hasta el siglo XVI, la velocidad de la luz se pensó como infinita, asociada a un cuerpo celestial inmutable. Las observaciones de Tycho Brahe sobre supernovas empezaron a desplazar esa idea de pureza e inmutabilidad del Universo. La primera medida científica de la velocidad de la luz a través de observaciones astronómicas la realizó el danés Ole Roemer en 1676, aun cuando la finitud o no de la velocidad de la luz permanecía en discusión. Las palabras de Newton sobre la aceptación de la propagación de la luz con una velocidad finita pudieron ser uno de los apoyos más determinantes en este cambio de paradigma. Sin embargo, el instrumental de Wheastone, con su espejo rotante diseñado para medir altas velocidades, fue determinante para diseñar nuevos experimentos ópticos que pudiesen medir la velocidad de la luz con mayor precisión. Los experimentos de Foucault (1862), o los de Michelson & Peason (1932 – 1935), fueron experimentos en los que no intervenían medidas astronómicas, sino puramente ópticas, donde, en ambos casos se usaron espejos rotantes, ya sea para describir variaciones de ángulo, o para realizar medidas de sincronizado estroboscópico.

Izquierda: Fotografia ultrarapida del impacto de una bala en una manzana. Derecha: Serie de fotografías ultrarápidas del movimiento de un jugador de golf.

Posteriormente, todos estos principios se usaron para definir lo que se llamaron las cámaras Streak, que podían realizar fotografías de movimientos ultra rápidos. En estas cámaras se usaban espejos rotantes para sincronizar la deflexión dinámica de una imagen con la detección en distintas posiciones espaciales. Las técnicas estroboscópicas también se desarrollaron  pudiendo fotografiar eventos ultrarápidos, como los choques de las balas, las explosiones termonucleares o para desarrollar series secuenciales de fotografías de objetos en movimiento. Poco a poco, los espejos rotantes han ido sustituyéndose por otros sistemas optoelectrónicos, que han permitido estudiar fenómenos cada vez más rápidos. Quizá, el límite absoluto se consiguió no hace mucho, cuando en 2012 un grupo del Media Lab del MIT consiguió fotografiar el paso de un pulso de luz a través de un medio dispersivo. En este caso, una botella de coca-cola. El sincronizado estroboscópico, junto con las técnicas de detección de una cámara streak optoelectrónica, permiten obtener imágenes a una velocidad de 1 billón de fotogramas por segundo. Pero, como suele pasar con las nuevas investigaciones, los avances que proporcionan no solo se centran en obtener mejores rendimientos o mejoras cuantitativas, sino que cada nuevo paso suele proporcionar otras formas de “ver”. En el caso del desarrollo del instrumental óptico para la detección de fenómenos ultrarápidos, esas otras nuevas formas de ver escondidas en cada avance no son metafóricas. El mismo grupo del MIT Media Lab que conseguía fotografiar la propagación de un pulso de luz, con una pequeña modificación de su experimento han conseguido desarrollar una nueva técnica que permite ver, o lo que es lo mismo, reconstruir imágenes, a través de esquinas. La técnica, basada en el cálculo del tiempo de vuelo de los pulsos de luz emitidos por un laser y dispersados por las distintas superficies, es un ejemplo de lo que se puede conseguir cuando se trabaja de forma interdisciplinar, donde el MIT Media Lab es uno de los referentes internacionales de mayor prestigio en este tipo de colaboración tecnológica interdisciplinar.

La primera vez que tuve noticias sobre Wheatstone fue en mi tercer año de carrera, en la asignatura de laboratorio de electromagnetismo. Todos los alumnos pasábamos con cierta indiferencia por la práctica que describe el puente que lleva su nombre, el puente de Wheastone, usado para calcular el valor de resistencias. Nunca nos hubiésemos imaginado todo ese hilo conductor que deviene como una autentica maraña de implicaciones instrumentales, que no se pueden desvincular de inventos tan importantes desde el punto de vista industrial como el telégrafo o el cine, o desde el punto de vista conceptual como el cálculo preciso de la velocidad de la luz y el estudio de fenómenos ultra-rápidos. Lejos de esas calles húmedas del Londres efervescente y victoriano del siglo XIX, ese pequeño instrumento para medir resistencias  suele pasar desapercibido en muchos de los laboratorios de los grados de física. En el mejor de los casos, imaginado como un instrumento concreto y diseñado para un fin único e unívoco, completamente descontextualizado de su genio inventor. Un fin único que no deja ver todo el potencial creativo de un personaje que estudiando el sonido, se acercó a la electricidad, para dar rienda suelta a toda una serie de análisis sobre la luz.

Hoy, a parte de grandes centros de investigación de referencia internacional, como lo es el ICFO en Cataluña, ha aparecido un nuevo centro de formación sobre iluminación en España, más orientado al desarrollo industrial y profesional. La historia, o más actualmente, los centros de investigación como MIT Media Lab, nos dicen que la investigación científica y el desarrollo industrial van de la mano. Pero también nos dicen que la colaboración quizá sea más fructífera, interesante e ilusionante, cuando se contemple desde el más amplio sentido de lo que se entiende por “iluminar” en ciencia. En palabras de la recientemente fallecida Ana María Matute, “quien no inventa no vive”.

Bibliografía:

[1] Charles Wheatstone. «An account of Some Experiments to Measure the Velocity of Electricity and the Duration of Electrict Light», Phil. Trans. R. Soc. Lond. 124, 583 (1834) (Link)

[2] «Sir Charles Wheatstone FRS: 1802 – 1875», Brian Bowers. History of Technology Series 29. The Science Museum. London 2001. (Link)