Sabemos que la luz ejerce presión. Lo aprendimos gracias a Maxwell, a los experimentos heroicos de Lebedev y Nichols, y a la elegante brutalidad de Einstein.
Pero en tiempos donde manipulamos átomos con pinzas ópticas y soñamos con velas solares para viajes interestelares, surge una nueva pregunta:
👉 ¿Qué pasa si esa presión no es igual para todo tipo de luz?
👉 ¿Y si, moldeando la estructura de la luz, podemos cambiar cómo empuja?
En este maravilloso preprint, Alexander Trowbridge, Ewan Wright y Kishan Dholakia nos llevan de la mano desde los cometas de Kepler hasta los modos Laguerre-Gaussian modernos, para mostrarnos que la luz estructurada puede alterar la presión de radiación de formas sutiles pero medibles.
¿Ciencia básica?
¿Una revolución tecnológica en ciernes?
Quizá ambas.
Un poco de historia: de cometas y rayos invisibles
Tycho Brahe en 1577 observó que la cola de un cometa siempre apuntaba lejos del Sol.
Kepler postuló que debía existir una fuerza solar que empujara la materia: intuición temprana de la presión de radiación.
Maxwell en 1873 formalizó que la luz, como onda electromagnética, transporta energía y momentum.
Primera ecuación histórica:
Presión de radiación = I(1 + ρ) / c
Donde:
I es la intensidad de la luz
ρ la reflectividad del espejo
c la velocidad de la luz
Así nace la idea de que la luz no solo ilumina: también empuja.
La presión de radiación clásica y sus primeras confirmaciones
Lebedev en 1900 y Nichols & Hull en 1901 lograron medir esta presión en laboratorio.
Los experimentos eran tan delicados que pequeñas corrientes de aire o diferencias térmicas podían arruinarlo todo.
Luego llegó Einstein (1905) con su concepto de fotones, y la presión de radiación se entendió como transferencia de momentum de fotones individuales.
Todo parecía cerrado... hasta que surgió la luz estructurada.
¿Qué es la luz estructurada?
Más allá del típico rayo láser gaussiano, ahora podemos diseñar haces de luz con:
Vórtices ópticos que transportan momento angular orbital (OAM).
Modulación espacial de fase y amplitud.
Polarización variable en el espacio.
Los ejemplos clásicos son los modos Laguerre-Gaussian (LG) y Hermite-Gaussian (HG).
Estas "formas de luz" no solo se ven diferentes: interactúan diferente con la materia.
El hallazgo clave: la presión de radiación cambia con la estructura
Cuando analizamos haces estructurados, entra en juego el Gouy phase, una fase adicional que la luz acumula al enfocarse.
Resultado: la presión que ejerce la luz en un espejo plano es ligeramente menor que la de una onda plana.
Matemáticamente:
⟨kz⟩ = k − (N + 1) / (2z₀)
Y la fuerza de presión:
Fz = (2P/c) × [1 − (N + 1)/(k²w₀²)]
donde:
N es el número total de modos (en LG: N = 2p + |ℓ|)
w₀ es el radio del haz en su cintura
k es el número de onda (k = 2π/λ)
La reducción es pequeña (de orden femtonewtons por vatio), pero real y medible con tecnología actual.
Aplicaciones potenciales
Óptica de precisión: mejorar trampas ópticas para átomos o partículas.
Metrología de fuerzas ultrafinas: detección de presiones minúsculas para física fundamental.
Propulsión láser: ajustar el diseño de velas solares para viajes interestelares.
Comunicación óptica: modulación de haces con OAM para aumentar capacidad de transmisión.
¡La estructura de la luz podría redefinir cómo controlamos la materia a escalas microscópicas y astronómicas!
Sección técnica: ecuaciones importantes
Si representamos la luz como un campo complejo:
E(x, y, z) = A(x, y, z) × exp[iθ(x, y, z)]
donde θ(x, y, z) incluye el término del Gouy phase:
θ(x, y, z) = kz + (k(x²+y²))/(2R(z)) − (N+1)arctan(z/z₀)
Al calcular el momentum promedio en z (⟨kz⟩), aparece una corrección que reduce la presión axial.
La diferencia de presión respecto a un haz plano es:
ΔFz / (2P/c) ≈ − (M²) / (k²w₀²)
donde M² es el factor de calidad del haz.
Para un modo LG con p=0, ℓ=1:
La reducción de presión sería ~20 femtonewtons por watt.
Crítica filosófica: ¿Hasta dónde renunciamos a la idealización?
Durante décadas, el modelo de "onda plana" fue suficiente.
Hoy, cuando fabricamos haces con precisión de fase submicrométrica, esa idealización empieza a crujir.
Aceptar que la estructura de la luz altera sus propiedades dinámicas es también un acto de madurez científica: reconocer que la belleza simple de Maxwell necesita matices más sutiles.
Y quizás, como sugiere este trabajo, entender y diseñar la estructura de la luz nos permita controlar fuerzas que antes solo soñábamos medir.
Conclusión
La luz nunca fue solo una onda. Ni solo partículas.
Ahora sabemos que su estructura espacial también carga secretos físicos profundos.
Medir cómo un vórtice de luz empuja menos que un rayo plano no es un simple juego de laboratorio. Es una forma de redescubrir la física en lo que parecía ya conocido.
Y tal vez, de abrir nuevas puertas tecnológicas que apenas comenzamos a entrever.
Referencias clave
Trowbridge, A.C., Wright, E.M., Dholakia, K. (2025). The Radiation Pressure of Light: historical perspectives and the role of structured light. arXiv:2504.18789v1
Maxwell, J.C. (1873). Treatise on Electricity and Magnetism
Lebedev, P. (1900), Nichols & Hull (1901)
Einstein, A. (1905). Sobre un punto de vista heurístico acerca de la producción y transformación de la luz
Para checar otras redes: https://linktr.ee/PepeAlexJasa
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