Estudiante mexicano explica cómo resolvió un problema físico que Newton no solucionó

Ni siquiera Isaac Newton y Gottfried Leibniz pudieron encontrar una solución satisfactoria a la aberración esférica

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“¿Te ha pasado que, cuando miras a través de una cámara fotográfica, un telescopio, unos binoculares o un microscopio, ves las imágenes borrosas o sin nitidez?”, pregunta Rafael González Acuña en su artículo publicado en Transferencia Tec. “Probablemente no es que el lente esté sucio o fuera de foco, sino que se trata de un fenómeno óptico llamado aberración esférica.”

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La aberración esférica es un problema “mítico” que ha atormentado a las mentes más brillantes de la física a lo largo de los siglos, “un pantano” como diría el propio Rafael González.

Desde que fue planteado en la Grecia antigua por Diocles, hace más de 2 mil años, hasta que fue abordado por figuras como Isaac Newton y Gottfried Leibniz, la aberración esférica nunca tuvo una solución satisfactoria… hasta que se topó con un par de estudiantes mexicanos.

Rafael González, egresado del Tec de Monterrey en Ingeniería Física Industrial, explica que esta aberración óptica debe ser un fenómeno familiar para cualquiera, ya que “se encuentra en los sistemas ópticos que utilizan superficies esféricas, como cámaras fotográficas, telescopios, binoculares, microscopios, etcétera”.

¿Pero cómo es que se produce? El estudiante explica:

Las lentes y los espejos curvos de estos equipos se hacen generalmente con superficies que son esféricas, porque esta forma es más fácil de formar que las superficies curvadas no esféricas. Los rayos de luz que inciden en una superficie esférica descentrados se refractan o se reflejan más o menos que los que impactan cerca del centro. Esta desviación reduce la calidad de las imágenes producidas por los equipos ópticos.

Vaya molestia. Y aunque si bien es cierto que nunca se logró hallar una solución exacta para que la visión de objetos a través de lentes esféricos no perdiera nitidez, por lo menos surgieron algunas soluciones aproximadas.

Newton, por ejemplo, inventó un telescopio que solucionaba otro tipo de aberración, la aberración cromática, es decir, aquella que impide enfocar los colores en un solo punto.

Pero la aberración esférica se mantuvo como una piedra en el zapato de la física a lo largo de los siglos, incluso cuando fue postulada de manera técnica en 1949 y replanteada como el problema de Wasserman-Wolf.

La epifanía en la cocina

Cuando Rafael González cursaba la maestría en el Centro de Investigaciones de Óptica, conoció a un egresado de la UNAM de nombre Alejandro Chaparro. Ambos estudiantes tenían algo en común: varios meses de trabajo buscando una solución al problema de Wasserman-Wolf, así que Alejandro invitó a Rafael a colaborar en el estudio.

Una mañana, mientras Rafael se preparaba el desayuno, el joven tuvo un auténtico momento de eureka.

“¡Madres! ¡Está ahí!”, gritó. “Subí a mi cuarto, me puse a programar, vi que salió y me puse a brincar de emoción”, dijo el estudiante a Conecta, una publicación del Tec.

Durante nuestro estudio calculamos la eficiencia de 500 rayos, y el promedio de satisfacción de todos los ejemplos fue de 99.9999999999%.

Rafael y Alejando publicaron los resultados de su estudio en la revista académica Applied Optics (The Optical Society), incluyendo “la ecuación que da solución a la conjetura de Wasserman-Wolf.”

En dicha ecuación describimos cómo debe ser la forma de la segunda superficie esférica de la lente dada una primera superficie, la cual es proporcionada por el usuario, así como la distancia objeto-imagen. La segunda superficie es tal que corrige toda la aberración generada por la primera superficie, y se elimina la aberración esférica.

Y bien, ¿qué significa este resultado en términos prácticos?

Este hallazgo podrá tener muchas aplicaciones, ya que permitirá producir lentes con mayor calidad de imagen a cualquier distancia, cualquier grosor y cualquier material.

Julio César Gutiérrez, profesor del Tec y asesor de Rafael en el doctorado de nanotecnología, también considera que “el diseño óptico tiene aplicaciones tecnológicas que involucran sistemas ópticos. Entonces los resultados tienen relevancia no solo teóricamente sino en otras aplicaciones.”

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