La luz está determinada por la energíay la entropía
La luz está determinada por la energíay la entropía - Joseph (FLICKR)

La cara oculta de la luz: la entropía de la radiación

El científico Alfonso Delgado Bonal habla sobre una investigación que ha realizado y según la cual la energía que se pierde en forma de calor reduce en un ocho por ciento la eficiencia global de la fotosíntesis

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Si quiere poner en un aprieto a un físico, puede pedirle que le conteste en pocas palabras a la siguiente pregunta: ¿qué es la luz? y verá como unos responden «es un conjunto de partículas llamadas fotones», mientras que otros le dicen «son ondas que viajan por el espacio a una velocidad de 299.792.458 m/s». La realidad es que la respuesta a la pregunta requiere saber mecánica cuántica y tenemos una dualidad onda-partícula: la radiación (y otras partículas) pueden comportarse como onda o como corpúsculo dependiendo del experimento. La explicación de que la radiación son partículas le valió a Albert Einstein un premio Nobel por su artículo de 1905.

La demostración de que la luz eran partículas se hizo utilizando una cara de la luz que nunca se ve, la entropía. Al igual que la luz es onda y partícula, la luz es energía y entropía. La entropía es, entre otras cosas, una magnitud que nos dice cuánto calor se pierde en un proceso, de modo que no podemos tener un proceso eficiente al 100%, siempre se va a perder energía en forma de calor.

¿Qué hemos descubierto?

Esa cantidad de energía que «perdemos» se puede calcular con la entropía. En el caso de la fotosíntesis, la radiación llega a la planta y se transforma en energía química, pero no al 100%. Calculando la entropía de la radiación, un artículo que se publica hoy en Scientific Reports determina que el máximo rendimiento de la fotosíntesis en la Tierra es un 8% menos de lo que se pensaba. Hemos determinado ese valor para la región visible de la radiación y hemos demostrado que, además, la eficiencia de la fotosíntesis depende de la temperatura: si se llevan una planta a Marte, la eficiencia máxima de la radiación es diferente allí, al igual que entre el desierto o los polos de nuestro planeta.

Además de la fotosíntesis, la entropía de la radiación puede usarse para resolver problemas en diferentes campos. El mismo artículo muestra cómo el uso de esta magnitud puede servir para medir el cambio climático directamente, no solo sus efectos indirectos en la Tierra como el aumento de la temperatura o el deshielo de los polos. Como la entropía está relacionada con la pérdida de calor, un análisis de los cambios producidos en la atmósfera permite estudiar cómo ha evolucionado la termodinámica de nuestra atmósfera, y estudiar el efecto de los diferentes compuestos químicos y su disipación de calor.

Por otro lado, otra de nuestras teorías afirma que la entropía de la radiación sirve también para explicar la evolución de la visión humana. La hipótesis se planteó en otro artículo publicado en también en Scientific Reports, donde se descubrió una nueva constante física a la que llamamos «constante de Wien de la entropía». Ahora, tenemos una prueba más formal de esta teoría. El ojo humano ve en todos los colores del espectro visible de la luz solar, pero hay dos colores preferidos llamados «picos de absorción» que dependen de las condiciones de iluminación. Hasta la fecha no existía una teoría que explicara exactamente por qué esos dos colores son los preferidos, y utilizando la entropía de la radiación se puede dar una explicación: los ojos del ser humano han evolucionado buscando la máxima información posible, no únicamente la máxima energía.

¿Por qué es importante?

El artículo recupera una forma de analizar la radiación a la que no se le ha prestado mucha atención desde principios del siglo pasado. Sin embargo, este nuevo enfoque permite estudiar la radiación desde un punto de vista diferente, y obtener resultados que no pueden conseguirse únicamente mediante el estudio de la energía.

¿Qué aporta de novedoso?

El trabajo desarrolla una serie de ecuaciones que permiten calcular la constante de Wien de la entropía en distintos casos, y calcular cuánta entropía hay en diferentes regiones del espectro solar. Además pone de manifiesto la importancia de la temperatura cuando se analizan procesos de radiación: cuando la luz llega a una planta, la fotosíntesis transforma la luz en energía química, pero al mismo tiempo la planta está emitiendo energía en forma de radiación como consecuencia de su propia temperatura. Este hecho hay que tenerlo en cuenta para calcular correctamente los rendimientos en diferentes entornos como el desierto, los polos, o incluso para un posible viaje a Marte llevando lechugas.

¿Cómo se ha realizado esta investigación?

El trabajo se ha desarrollado mediante métodos teóricos y utilizando simulaciones por ordenador para estudiar el comportamiento de la entropía en la atmósfera. Se ha llevado a cabo en la Universidad de Salamanca, con un proyecto co-financiado por Fundación Iberdrola España.

¿Qué aplicaciones puede tener el hallazgo?

Los métodos utilizados y las ecuaciones propuestas en este artículo son universales, y pueden aplicarse a diferentes campos como fotosíntesis, cambio climático o la visión del ser humano, abriendo la puerta a estudios en biofísica, telecomunicaciones o robótica, y en general en cualquier campo que utilice la radiación como fuente de energía o información.