UN POCO DE HISTORIA DE LA OPTICA (III): DESDE YOUNG HASTA LA ACTUALIDAD

Llegados a este punto de la historia, el ultimo(?) capítulo de la historia de la óptica, tendríamos que separar varias materias que se inician con la llegada de las teorías de la luz: por un lado tenemos la óptica como rama de la física, que en la época por la que íbamos estaba en su inicio y expansión geométrica. Por otro la optometría, la parte más clínica, ligada durante una época a los propios avances de la medicina y durante mucho tiempo su desarrollo fue, en su mayor parte, por los "intrusos de la profesión": grandes personajes que no fueron médicos y que contribuyeron con sus descubrimientos a que avanzara como ciencia, como el caso conocido y comentado de Daza de Valdés (que fue notario), el de Benjamin Franklin (inventor de los bifocales, gran pensador y político) y otros muchos.

Sin querer polemizar sobre el tema, la historia nos dice que los médicos se resistieron a reconocer la realidad de estos acontecimientos y les resultó difícil impugnarlos debido al retraso con que el especialista en oftalmología, que no se concretó hasta los últimos cien años, no dedicó ninguna atención a la refracción antes del siglo XX. Incluso algunos de los más destacados especialistas prohibía su uso por considerarlo peligroso, siendo en el siglo XVIII normal la prescripción de colirios para evitar el uso de vidrios correctores y conservar la vista libre de estas ayudas consideradas poco científicas. Hacia el siglo XIX, no solo los oftalmólogos no consideraban la refracción como una parte integrante de su profesión, sino que estimaban el uso de vidrios correctores, como poco convenientes para la salud. Por eso cabe recordar que aunque en el siglo XX los oftalmólogos empezaron a reivindicar la optometría como una parcela de sus especialidades, y en algunos casos pretendiendo su exclusividad, que cuanto menos habría de considerarse sospechosa y desde luego contraria a los principios de la libertad científica y de la propia historia de la que hemos estado hablando hasta el momento.

Dicho esto, continuamos con un gran médico llamado Thomas Young, el cual curiosamente desarrolló sin buscarlo especificamente la teoría ondulatoria (médico "intruso" de la física?).
Thomas Young (1773-1829) Se dedicó preferentemente al funcionamiento del ojo humano estableciendo que existen tres tipos de receptores cada uno de ellos sensible a uno de los colores primarios (como vimos en el primer post del daltonismo). Descubrió como cambia la curvatura del cristalino para enfocar objetos a distintas distancias (acomodación) y el origen del astigmatismo. Pero si Young es famoso por algo eso es por su famoso experimento que lleva su nombre, tras el cual demostraba que la luz se comporta como una onda (dandole la razón a Huygens, el cual en vida no pudo demostrarlo y perdiendo fuelle esa teoría frente a la corpuscular de Newton). Encontró que si dejaba pasar luz que procedía de una única fuente, a través de dos pequeñas rendijas muy próximas, se formaban unas bandas brillantes que alternaban con otras más oscuras. Este fenónemo se llama interferencia, y sólo se da en ondas, quedando demostrado la naturaleza ondulatoria de la luz. Explicó de esta manera los colores que se forman en la películas finas, como las burbujas.

Se cree que Young fue el primero en modificar la refracción del ojo mediante un sistema dióptrico aplicado a la córnea. Utilizó el principio de la neutralización corneal. Su mecanismo, que más tarde se conoció con la denominación de "hidrodiascopio", era un tubo de un cuarto de pulgada de longitud. En uno de sus extremos Young colocó una lente pequeña. El terminal ocular del dispositivo estaba rodeado de cera y el tubo estaba lleno de agua. Su intención era simplemente eliminar la córnea y sustituirla por una lente bien tallada, lo que resultaba lógico dado que el humor acuoso, la córnea y el agua tienen casi el mismo índice de refracción y por tanto actúan como un único medio óptico. Las lentes de contacto actuales parten de este mismo principio.

Gracias a un nuevo aparato llamado optómetro (que servía, y sirven sus posteriores versiones, para medir la refracción del ojo de forma objetiva e individual) el cual fue construido por un famoso artesano William Cary (1759-1865), Young fue el primero en nombrar y describir el astigmatismo en su obra: On the Mechanism of the Eye, considerando erroneamente que la causa de ese fenómeno era debida a una oblicuidad de la úvea o a una inclinación del cristalino. Young también es famoso en otro ámbito muy diferente, en su gran aportación a la traducción de la famosa piedra rosetta (hablaba 13 idiomas) que tradujo solo unos meses después de Champollion y publicado libros sobre sus descubrimientos de la lengua egipcia antigua.

A Benjamín Franklin (1706- 1760) se le atribuye la invención de las lentes bifocales por hablar de ellas en unas cartas del año 1784. Estaban formadas por dos mitades de lentes: la de visión lejana y la de visión próxima montadas en un mismo aro. Cuenta la historia que cada vez que tenía que abrir un libro Franklin, debía de cambiar de lentes, lo que lo desesperaba. Mandó cortar sus lentes en dos y luego unirlos, para que así, cada vez que tuviera que leer, sólo tuviera que bajar la vista. A estas lentes se les llama franklins, y una variante llamada "executive" (ejecutivos) se siguen montando en la actualidad.

Este siglo XVIII nos trae las gafas con varillas, primero cortas que sujetan a presión sobre los temporales y a finales del siglo, las varillas son más largas y se sujetan detrás de las orejas, como en la actualidad (no habra muchas más innovaciones en el diseño de las gafas hasta bien entrado el siglo XX).

George Louis Leclerc (1707 - 1788), escritor y naturalista francés, en el año 1748 sugirió se podía disminuir el peso de las lentes si la superficie esférica en lugar de ser continua estuviera dividida en anillos concéntricos sucesivos. Si se montan de manera adecuada los anillos formarían una lente esférica pero en una superficie plana.

Sir Friedrich Wilhelm Herschel, más conocido como William Herschel (1738-1822) astrónomo inglés de origen alemán, aportó en 1823 una interpretación teórica y justificó la posible aplicación práctica de las lentes de contacto, concebidas y esbozadas por Leonardo Da Vinci. Herschel sugirió que era posible corregir el astigmatismo por este ingenioso procedimiento. Propuso la posibilidad de corregir el astigmatismo aplicando al ojo una cápsula de vidrio llena de sustancia gelatinosa de origen animal, pero su idea no tuvo éxito. Es el fundamento de las primeras lentes blandas.

También es famoso por descubrir la luz infrarroja mediante experimentos, y el planeta Urano y dos de sus satélites con su telescopio reflector. Además descubrió que el sol gira alrededor de otra estrella, llamada lambda de Hércules.

William Hyde Wollaston (1766- 1828) físico y químico británico (que se quedó ciego) se dedicó a la investigación electroquímica y a la óptica. Fue el primero en informar sobre las líneas oscuras del espectro solar y realizó importantes observaciones sobre la refracción de la luz. Inventó un aparato para medir el índice de refracción de los sólidos, además de todo tipo de lentes, entre ellas la más famosa la «periscópica», con el propósito de permitir no sólo una visión en su porción central sino también en la periferia al eliminar el astigmatismo por incidencia oblicua, realizando el primer intento serio de mejorar el diseño de las lentes de las gafas. (precedente de las lentes de superficie asférica) También inventó un prisma que lleva su nombre, el cual se trata de un divisor de rayos polarizados fabricado en calcita o cuarzo consistente en dos prismas triangulares cementados con glicerina con ejes ópticos perpendiculares.

Karl Friedrich Gauss (1777-1855) matemático alemán. Estableció la teoría de primer orden de la óptica geométrica, que se basa en la ley de la refracción y en consideraciones geométricas para calcular las posiciones de las imágenes y sus tamaños en los sistemas ópticos formados por lentes y espejos. Esta teoría se sigue usando para diseñar todo tipo de instrumentos ópticos, y con ella es posible calcular las posiciones del objeto y de la imagen formada por una lente convergente simple.

Conocedor de los trabajos de Young, David Brewster (1781-1868), en 1818, describe los efectos ópticos subjetivos del astigmatismo aunque, aparentemente, sin comprender con precisión la naturaleza de estos fenómenos. En efecto, la causa de la imperfección visual no la atribuye directamente a la córnea sino a la secreción lagrimal que la lubrica.

Augustín Fresnel (1788-1827), físico francés que realizó numerosos experimentos sobre interferencias y difracción y dio un gran avance a la la teoría ondulatoria ya que la desarrolló sobre una rigurosa base matemática. Fresnel puso en práctica la idea de Leclerc e inventó un aparato de enfoque que se emplea actualmente y que proporciona una luminosidad cuatro veces mayor que la de un reflector ordinario. Consistió en reducir el tamaño y peso de la lente y lograr un poder iluminador mayor, en un sistema óptico para inclinar y enfocar los rayos con el fin de formar un único punto de luz de alta intensidad luminosa en el que se combinaban prismas catadióptricos que refractan y reflejan y prismas dióptricos y la lente central que refractan. El tipo de lente de Fresnel se utiliza actualmente para producir rayos paralelos de luz en los faros marítimos.

J.J. Lister en 1826 inventó el objetivo acromático y aplanático con lo que se progresó en la construcción del microscopio compuesto. A partir de este momento dejó de utilizarse el microscopio simple y el compuesto se hizo indispensable en los laboratorios.

Los éxitos de la teoría ondulatoria revivieron el interés por determinar con precisión la velocidad de la luz. Según la teoría de emisión de Newton, la luz debía viajar más rápido en un medio ópticamente denso que en el aire; según la teoría ondulatoria debía suceder lo contrario. Claro que hace 150 años medir la velocidad de la luz con precisión no era tarea sencilla, porque la luz viaja sumamente rápido. En 1849, Fizeau (1819-1896), en Francia, diseñó un método estroboscópico en virtud de la alta velocidad de la luz. Las mediciones de Fizeau, y todas las realizadas posteriormente, le dieron la razón a la segunda teoría: la luz disminuye su velocidad al entrar en un medio ópticamente denso. Hasta el experimento del americano Michelson en 1972 no se mejoró ostensiblemente esa medida hasta la conocida actualmente.

En el campo de la optometría, se hicieron avances en el desarrollo de la idea y corrección del astigmatismo, y la introducción de nuevos aparatos de medición como el optómetro, el oftalmoscopio y el biomicroscopio.

Johannes Evangelista Purkinje (1787-1869) (puede que suene el nombre, era mi anterior alias) profesor de fisiología de la Universidad de Breslau, introdujo las dos figuras que se emplean todavía para la determinación subjetiva del astigmatismo: los círculos concéntricos (también llamado el círculo horario) y la estrella. En 1823, en su trabajo De examine physiologica organi visus et sistemat.cutanei, describe las imágenes reflejadas producidas por la reflexión de la luz de una vela sobre la cara anterior y posterior de la córnea y del cristalino (llamadas imágenes de Purkinje-Sanson). Sugiere que la curvatura de la córnea podría medirse con un método comparativo calculando el tamaño de la imagen reflejada utilizando como referencia las medidas sobre secciones de esfera de vidrio. Años después, en 1838, el oftalmólogo francés Louis Joseph Sanson (1790-1841), supuestamente de forma independiente, describe dichas imágenes y las emplea por vez primera con fines diagnósticos. Pese a que durante años existe controversia se acepta decidir identificarlas con el nombre de ambos (imágenes de Punkinje-Sanson) aunque son más conocidas como imágenes de Purkinje.
También fue el descubridor del famoso efecto Purkinje que ya explicamos en el primer post del color, perfeccionó el microtomo (aparato que se usa para cortar muestras para el microscopio y en operaciones de vista), y utilizó una versión mejorada del microscopio compuesto. Es muy famoso en el mundo de la botánica, en la cual es una eminencia.

El científico alemán Hermann Ludwig Ferdinand von Helmholtz (1821-1894), médico y físico, inventor del oftlalmoscopio en 1851. Tres años después de su invención lo mejoró con el oftalmómetro, constituido por un telescopio en el que introduce dos placas heliométricas (dos láminas gruesas de vídrio, idénticas, de caras paralelas, superpuestas, formando un ángulo variable), lo que permite un desdoblamiento modificable de la imagen logrando una gran exactitud de las medidas y, a diferencia del aparato diseñado anteriormente por Kohlrausch, con independencia del movimiento del ojo observado. Su principal publicación fue el Handbuch der Physiologischen Optik (Manual de óptica fisiológica). Dicha obra fue la referencia fundamental en este campo durante la segunda mitad del siglo XIX. El manual proveyó de teorías empíricas sobre visión espacial y del color.

L. Seidel, en 1856, desarrolló y publicó por primera vez una teoría más completa que la de Gauss para el diseño de sistemas ópticos. Esta teoría fue perfeccionada y ampliada por muchos investigadores a principios del siglo XX, entre los que destaca A. E. Conrady, que en 1929 publicó su famoso libro "Applied Optics and Optical Design", estableciendo así las bases fundamentales para el diseño de lentes de alta calidad.

George Biddell Airy (1801 -1892), astrónomo, matemático e ingeniero inglés. Fue astrónomo real entre los años 1835 y 1881, dedicándose a la modernización del observatorio de Greenwich y colocándolo a la altura de los mejores de la época. En 1850 desarrolló el telescopio Transit Circle, que usó para definir la latitud 0º, el punto a partir del cual se miden los horarios y los mapas mundiales. En el campo de la astronomía observacional legó a la posteridad el "disco de Airy", el tamaño mínimo aparente de una estrella (o fuente puntual de luz) debido a la difracción de la luz en el objetivo del telescopio.

Llevó a cabo diversos descubrimientos en el campo de la óptica, entre los que destacan la invención de las lentes que permiten corregir el astigmatismo (lentes cilíndricas). Dio instrucciones en 1824 a un artesano constructor de instrumentos de Ipswich llamado Fuller para que se las confeccionara. Para designar la anomalía, William Whewell (1794-1866), ilustre profesor de matemáticas y filósofía, Master del Trinity College de Cambridge, sugirió a Airy, en 1849, el término «astigmatismo» (del griego a = sin y stigma = punto).

Retomando la óptica física desde la primera medición de la velocidad de la luz de Fizeau, y los descubrimientos de Herschell de la luz infrarroja y el de la luz ultravioleta por Johann Wilhelm Ritter (1776-1810), la óptica dejaba de ser el estudio de aquello que se ve. La primera prueba de que la luz está relacionada con fenómenos eléctricos y magnéticos la obtuvo Michael Faraday (1791-1867), un físico y químico británico, en 1845. "Finalmente he logrado iluminar una curva magnética y magnetizar un rayo de luz", escribe, refiriéndose al cambio de polarización que sufre la luz al pasar por un vidrio que está sujeto a un campo magnético. Éste y otros experimentos de Faraday y de algunos contemporáneos suyos sirvieron de base para la teoría electromagnética de la luz, desarrollada y expresada en lenguaje matemático por el escocés James C. Maxwell.
James Clerk Maxwell (1831-1879), Físico escocés, conocido principalmente por haber desarrollado la teoría electromagnética clásica, sintetizando todas las anteriores observaciones, experimentos y leyes sobre electricidad, magnetismo y aun sobre óptica, en una teoría consistente en cuatro fórmulas. Publicó “Treatise on Electricity and Magnetism”, en este libro, uno de los más importantes de la historia, unifica todo el electromagnetismo, deduce que los campos electromagnéticos se comportan como ondas y al bajar su velocidad deduce que es la misma que la de la luz. En resumen, descubre que la luz está formada por ondas electromagnéticas, el llamado espectro electromagnético (que podéis ver en el post de daltonismo). La teoría de Maxwell condujo a muchas predicciones nuevas, que posteriormente fueron comprobadas experimentalmente. Una de las más importantes fue que pueden existir ondas de radiación de campo eléctrico y magnético, que estas ondas viajan con la velocidad de la luz, y que ésta es, en efecto, radiación portadora de energía, y por esta misma razón ejerce una presión al chocar contra una superficie. En nuestra experiencia común, la presión de la luz es tan pequeña que no la detectamos; pero en el interior de las estrellas sí puede llegar a ser significativa. La presión de la radiación solar es responsable nada menos que de la cola de los cometas (llamado más popularmente la presión "viento solar"). Ha habido muchos avances a partir de este punto, pero la parte de historia de óptica física la desarrollaremos en siguientes post.

Retomando de nuevo la optometría, y más concretamente al astigmatismo, la resolución del problema matemático del astigmatismo corresponde al suizo Jaques Charles Francois Sturm (1803-1855), profesor de matemáticas de París y posteriormente de mecánica en la Facultad de Ciencias que, en 1845, presenta su Memoire sur la théorie de la vision en el que plantea una peculiar hipótesis en la que describe una figura geométrica, el conoide, que lleva su nombre y que representa el particular trayecto de los rayos refractados a través de una lente tórica.

El médico holandés Franciscus Cornelis Donders (1818-1889), profesor de la Universidad de Utrech, utilizó su propio método subjetivo de examinar la refracción, eludiendo el empleo de la oftalmometría (se podría decir que empezó a desarrollar el examen ocular actual) . Incluyó los cristales cilíndricos en la caja de lentes. En 1864, se edita en inglés su libro clásico On the Anomalies of Accommodation and Refraction of the Eye, en el que se clarifican todos los conceptos hasta entonces confusos de los defectos de refracción y particularmente del astigmatismo, derivados de trabajos previos desde Young y Airy, estableciendo la forma de corregirlo mediante lentes cilíndricas. Enfatiza que la disminución de agudeza visual es el síntoma más importante del astigmatismo, debido a lo cual las personas afectadas deben leer a una distancia más corta, sufriendo dolor de cabeza por la acomodación.
Estos avances se sumaron a que en el mismo año 1862 que publicara Donders su libro su discípulo y amigo Herman Snellen (1834-1908) propone en su famosa publicación Optotypi ad visum determinandum, la más universal y conocida pantalla de optotipos (simbolos y letras que se usan en el examen visual) a la que incorpora el disco radial para la detección del astigmatismo y que se mantiene todavía vigente. Aporta la definición y concepto de astigmatismo «según la regla» y «en contra de la regla» y propone su tratamiento quirúrgico.

A finales de este siglo XIX se explica con bastante rigor la adaptación del sistema óptico del ojo a diferentes distancias de visión ("acomodación"), describiéndose el astigmatismo, su medida y el tipo de lentes para tratarlo, así como el uso de lentes prismáticas. En este período aparece la unidad básica de medida de la potencia de un sistema óptico: la "dioptría", el concepto de "agudeza visual" y la descripción del "campo visual".

La lente de contacto empezó a utilizarse sobre la córnea en 1887 cuando el médico Adolf Eugen Fick (1829-1901) ideó las lentes de contacto, pequeñas lentes (lentillas) que se aplicaban directamente sobre la córnea.

Los trabajos de Donders fueron consolidados y perfeccionados por el oftalmólogo danés Marius Hans Erik Tscherning (1854-1939), publica en Paris su monografía Optique Phisiologique. Sus estudios sobre movimientos oculares, la acomodación, la visión cromática, las aberraciones ópticas y la construcción de instrumentos de exploración son trascendentales.

A principios del siglo XX, John Borsh padre e hijo producen los cristales bifocales denominados Kriptock. Estas lentes se usan para ver de cerca y de lejos.

En 1906 Bentson y Emerson, introducen los cristales bifocales de una sola pieza, conocidos con el nombre de ULTEX, mejorando el invento de años atrás de Franklin.

En estos primeros años de siglo se empezó a generalizar el uso de gafas de sol entre las estrellas del incipiente cine mudo. Sam Foster inició en 1929 la producción en masa de gafas de sol económicas en Estados Unidos. En 1936 aparecieron las primeras gafas polarizadas.
En 1933 la compañía Bausch & Lomb es seleccionada por la Fuerza Aérea de Estados Unidos para producir dispositivos de protección visual para los pilotos expuestos cada vez a mayores altitudes y difíciles condiciones causadas por el brillo del sol y sus efectos, ya que los visores y la protección visual de la época resultaban incómodos y poco eficientes para tal fin. Nació Ray-Ban y sus famosas Aviator (la gafa de sol más vendida de la historia y actualmente de moda)

William Fleinbloom en 1936 empleó plasticos sintéticos en combinación con el vidrio para fabricar lentes y en 1948 Kevin Tuohy fabricó las primeras lentes de contacto de metacrilato con un diámetro de 11mm que se popularizaron rápidamente. Eran rígidas pero poco después aparecieron las lentes rígidas permeables a gases hechas de Silicon o diversos polímeros de silicon y plástico y también varias lentes de contacto suaves hechas de diversos plásticos. No es hasta el año 1952 cuando aparecieron los hidrogeles, materiales blandos, permeables e hidratables, que mejoraron la comodidad de las lentes de contacto ya que hasta este momento los materiales que se usaban no eran permeables al gas ni hidratables.

Bernard Maitenaz presenta en 1959 por la empresa Essel Optical (mas tarde Essilor) la primera lente progresiva de la historia llamada lente Varilux.

A través de estos avances se han forjado la óptica, la optometría y las técnicas e instrumentos ópticos que hoy en día no han parado de avanzar y mejorar. He tratado de omitir pocas cosas en estos tres largos post sobre óptica, pero seguramente publicaré monográficos de algunos de los genios o inventos de los que aquí solo he hecho una mera mención en la línea temporal trazada hasta nuestros días. Nos vemos en la próxima entrada.