Qué es el espín cuántico y por qué logró resolver el enigma de la refracción de la luz tras cien años de debate

Durante más de un siglo, el impulso de la luz al atravesar un material ha generado debate en la física, enfrentando a la teoría de Abraham y a la de Minkowski. Un estudio teórico reciente, divulgado por Muy Interesante, integra ambas posturas mediante el espín cuántico, una propiedad esencial de la luz que esclarece cómo se transfiere su momento lineal al interactuar con la materia, es decir que ayuda a comprender de qué manera la luz empuja o mueve objetos al pasar por distintos materiales.

Esta propuesta ofrece una visión renovada sobre un problema fundamental y anticipa avances en tecnologías ópticas y cuánticas. Desde los primeros análisis sobre la refracción de la luz —el cambio de dirección de un haz al pasar por agua o vidrio—, la pregunta clave ha sido si la luz gana o pierde impulso dentro de un medio.

Según la teoría de Minkowski, el impulso aumenta al ingresar en un material más denso, mientras que Abraham sostuvo que disminuye debido a la menor velocidad de propagación. Durante décadas, ambas interpretaciones coexistieron, pero ofrecían resultados opuestos que los experimentos no conciliaban. Una realidad que confundía a los científicos porque las mediciones no coincidían con una sola teoría.

El modelo desarrollado por el físico Adam B. Cahaya no descarta ninguna de las teorías previas, sino que las combina al introducir el espín, el giro interno cuántico de la luz (es decir, una rotación interna que tiene la luz). Según Cahaya: “El impulso de Abraham es el valor esperado del momento proyectado sobre el espín, y el de Minkowski es su magnitud”. De esta forma, cada tipo de impulso refleja una faceta distinta del mismo fenómeno físico.

Este avance científico se apoya en una formulación inspirada en la célebre ecuación de Dirac, utilizada para describir partículas relativistas como el electrón. Desde este marco, el espín se incorpora en las ecuaciones que describen la propagación de la luz en medios dieléctricos, es decir que ahora se tiene en cuenta esa propiedad para entender mejor cómo se comporta cuando atraviesa diferentes materiales.

El modelo sostiene que la luz está integrada por componentes de polarización derecha e izquierda, que interactúan de manera indirecta a través de las oscilaciones de los dipolos (sistema formado por dos extremos opuestos, como una carga positiva y una negativa separadas por cierta distancia) en el material. Este fenómeno genera el llamado “temblor cuántico” (zitterbewegung), característico de partículas descritas por la ecuación de Dirac y ahora también predicho para la luz.

El temblor cuántico surge por el acoplamiento entre las componentes internas de la luz. Los cálculos del modelo muestran que este efecto evidencia la dependencia del comportamiento de la luz en un medio respecto de su estructura cuántica interna. Así, la refracción deja de interpretarse solo como fenómeno geométrico y pasa a comprenderse como manifestación de dinámicas internas profundas.

Dicho de manera sencilla, esto significa que la luz, por dentro, tiene partes que se mueven e interactúan, y eso influye en cómo cambia de dirección al pasar de un material a otro. Por eso, ahora se sabe que la luz no solo se desvía por fuera, sino también por cosas que suceden en su interior.

En el ámbito experimental, el modelo predice que el impulso de Minkowski corresponde a la magnitud del momento proyectado sobre el espín, derivado de la dispersión energía-momento del sistema. Así, la ley de Snell —que determina el trayecto óptico de la luz— se vincula a este valor. Por su parte, el impulso de Abraham surge como el valor promedio de la transferencia energética ejercida por la fuerza de Lorentz sobre los dipolos del material. Ambos impulsos emergen del mismo marco físico, pero representan aspectos diferentes: uno se asocia al movimiento y otro a la transferencia de energía.

En palabras simples, esto quiere decir que uno de los impulsos describe hacia dónde y cómo se mueve la luz al entrar en un material, y el otro muestra cuánta energía le entrega la luz a las pequeñas partes del material (los dipolos). Ambos conceptos salen de la misma base, pero uno se ocupa del movimiento y el otro de la energía.

Cahaya sugiere que el temblor cuántico podría detectarse manipulando paquetes de onda en medios estructurados o con mediciones sensibles a la polarización, similares a las realizadas en cavidades ópticas. La integración del espín cuántico en el modelo permite anticipar aplicaciones en el diseño de materiales fotónicos, sistemas de manipulación óptica y dispositivos de computación cuántica basados en fotones.

El planteamiento clarifica el dilema conceptual y proporciona a la comunidad científica y tecnológica nuevas herramientas para controlar el impulso de la luz en sistemas avanzados. Este enfoque no descarta las teorías anteriores, sino que muestra cómo ambas resultan válidas y complementarias al interpretarse en un contexto físico adecuado.

En forma sencilla, esto significa que, si se usan técnicas especiales para manipular la luz y medir su polarización, podría ser posible observar este temblor cuántico. Además, sumar el espín cuántico al modelo ayuda a imaginar nuevas formas de usar la luz en materiales y tecnologías modernas, como en computadoras que funcionan con fotones. Así, este trabajo ayuda a resolver una duda de larga data y ofrece nuevas herramientas para aprovechar mejor la luz, mostrando que las teorías viejas siguen siendo útiles cuando se entienden dentro del contexto correcto.