The lights on a December string are a century of engineering: a hot filament, then a crystal that makes light without the heat, then a wire that runs back through the Texas grid to gas wells and the plants on the ship channel. This follows that wire, starting on a street off Rollingbrook.
The timers click on a little after five. You can watch it happen if you are driving the neighborhoods off Rollingbrook at the right minute in December: one house, then three, then the whole street, the strings along the eaves and the wire deer on the lawn and the inflatable snowman lurching upright as its fan kicks in. Nobody is standing at a switch. A cheap plastic box in a garage outlet decided the sun was down, and the street lit up.
There is a pleasure in it that does not need explaining, and I am not going to explain it away. But I want to follow the glow backward for a while, because it goes a long way back, and the road it takes runs right past this town.
Filament and diode
Start with the bulb. If the string is old, it is a filament: a hair of tungsten sealed in glass, with the air pumped out so it will not burn. Push a current through the hair and it fights the current, and the fighting heats it, and at a couple of thousand degrees it glows the way a stove eye glows, only whiter. Nine parts in ten of the electricity go out as heat you cannot see, and about one part, or less, goes out as light you can. That is why the old strings were warm to the touch and why your grandmother's tree was a small fire hazard. It is also why they looked the way they looked. A hot thing glows every color at once, more red than blue, and the eye reads that as warm.
If the string is the kind on most store shelves, each bulb is a diode, which works by nothing like the same trick. A diode is a sliver of crystal, a semiconductor, grown so that one side has a few electrons too many and the other side a few too few. The side with too few is best pictured as having holes in it, places where an electron could sit and does not. Where the two sides meet there is a step, a small cliff in the energy landscape. Push a current across and electrons from the crowded side go over the cliff and drop into holes on the other, and each one, on landing, gives up the height it lost as a single packet of light. One electron, one hole, one photon. The color of the photon is the height of the cliff, and the height of the cliff is set by what the crystal is made of. There is no filament and nothing gets hot on purpose. Far more of the electricity comes out as light than in the old bulb, and far less is wasted as heat. That is why a string of a hundred of them draws a few watts and a string of a hundred filaments drew a few dozen, and why you can leave the diodes on all night and not feel it in the bill.
Red diodes were easy, relatively; the first one that gave off light you could see was made in 1962. Blue ones were not. For decades the crystal that would make a blue photon refused to be grown clean enough to work, and without blue you cannot make white, and without white the diode was a thing for calculator displays and not for the eaves of a house. The people who finally grew it, in Japan, using a compound of gallium and nitrogen, got a Nobel Prize in physics in 2014 for it. The white diodes on your string are blue ones wearing a coat of phosphor that soaks up some of the blue and lets it back out as yellow. Blue plus yellow reads to the eye as white. You are looking at a physics prize every time you look at a porch in December.
Down the wire
Now follow the wire. This is where people's picture of electricity usually goes wrong, and I want to get it right. The electrons in the wire do not come from the power plant. They are the copper's own electrons, and they have been in that copper since it was smelted. When you plug in the string they do not race down the cord. They shuffle. In a household wire under a normal load the electrons drift at something like a fraction of a millimeter a second, slower than a snail. And because the wall current is alternating, reversing direction one hundred twenty times a second, sixty full back-and-forth cycles, they do not even get that far. They rock back and forth in place, like a crowd swaying. What moves fast is not the electrons but the push, the field, which sets up along the whole wire at a good fraction of the speed of light. What the plant sends you is the shove, and the shove gets passed down the line from electron to electron the way a shove gets passed through a packed room, and at the end of the line a few electrons in a sliver of crystal go over a cliff and a photon comes out.
The shove comes from a spinning thing. Most of the electricity on the grid is made by turning a magnet inside a coil of wire. The panels on a few roofs on the street are the exception, and at half past five in December they have already quit for the night; everything else is something turning. Some of the turning is wind pushing on blades longer than a bus, far out west of here. More of it is steam or hot gas pushing on blades in a building, and in this part of the world more of that is natural gas than anything else. The gas comes out of the ground wet, with its heavier cousins riding along in it, ethane and propane and butane, and a processing plant strips those out. Those liquids are what sit in the salt caverns under Mont Belvieu fifteen minutes up the road, waiting for a cracker or a pipeline. What is left after the stripping, nearly pure methane, is the dry gas that goes down the line to a generating station and burns in a turbine, and the turbine turns a shaft and the shaft turns a magnet and the magnet drags on the electrons in a coil and the shove starts. Sixty cycles a second. Every generator on the grid turning in step with every other one, across most of the state, so that the swaying crowd in every wire sways together. If one big plant drops off, the rest feel it as a drag on their shafts and slow down a hair, and every clock that keeps time by the wall current loses a hair with them. The Texas grid is its own machine, an island, tied to the rest of the country by only a few thin connections. You are plugged into a thing nearly the size of Texas.
That is the road from the diode back to the well. It passes Baytown in more than one place. The gas that turns the turbines is the dry cousin of the gas the plants on the channel take apart for feedstock. The wire is insulated with plastic, and the plastic is made from ethylene, and ethylene is made here by the ton. The little plastic socket and the cord and the timer box in the garage and the vinyl skin of the snowman: petrochemistry, all of it, from a feedstock cracked on the ship channel or one very like it. The glow on the eaves is a long argument that starts with a molecule.
The oldest thing on the street
But the road does not stop at the well. Go back further. The gas in the pipeline is the oldest thing on the street by a margin that is hard to hold in the head. It was alive once, as small things in a warm sea, and when they died the energy they had spent their short lives gathering was left behind in the bonds between their carbon and their hydrogen, and it stayed there, in the dark, under a growing weight of rock, while the continents drifted into their present places. Burn the gas and you break the bond and what was held in it comes out as heat. The heat pushes the blades. The blades turn the magnet. The magnet shoves the electrons. The electrons go over the cliff in the crystal, and something that was gathered in a sea a few hundred million years ago comes out of a porch in Baytown as a photon at half past five on a December evening and travels the last few yards across a lawn into an eye.
And the eye is the part I cannot get over. The photon lands on the back of the eye, on a cell that has been waiting for exactly that, and a molecule in the cell bends, and a nerve fires, and a brain made of the same carbon that was in the sea builds a picture of a house with lights on it, and something in that brain says: pretty. I do not know a way to say what that is without sounding grander than a porch deserves. Carbon that once swam in a warm sea is looking at light made from carbon that did, and finding it beautiful. The universe grew an eye, somewhere along the line, and this is one of the things it points the eye at.
Picture a man who runs the night shift on one of the units on the channel. He gets home a little after six in the morning in December, and the sun will not be up for another hour, so the timers are still on. The last thing he sees on his street before he goes in to sleep is his neighbor's eaves lit against a sky that is just starting to gray. He does not think about turbines. He has been thinking about pressures and flows for twelve hours and he is done thinking. He thinks the lights are pretty and that the neighbor ought to set the timer to quit before dawn, and he goes in.
Down the block, one house is on a midnight timer, and the grid does not notice when it goes dark. A few watts less on a machine the size of Texas. Somewhere a shaft turns a hair easier and nobody's clock moves. The last photons out of that string of diodes are already past the fence, past the street, and most of them end in a wall or a leaf or a windshield. A few go straight up, miss everything, clear the sea breeze and the clouds and the thin top of the air, and keep going. They will be past the moon in a little over a second, and out of the reach of anything that could catch them a long time before the house is gone.
Read next: The Christmas parade and the lights — the standing guide, Where to watch the sunset.
En español
La física de una cadena de luces
Las luces de una cadena de diciembre son un siglo de ingeniería: un filamento caliente, luego un cristal que produce luz sin tanto calor, y después un cable que regresa por la red de Texas hasta los pozos de gas y las plantas del canal. Este ensayo sigue ese cable, empezando en una calle cerca de Rollingbrook.
Los temporizadores se encienden un poco después de las cinco. Se puede ver si uno maneja por los vecindarios cerca de Rollingbrook en el minuto justo de diciembre: una casa, luego tres, luego toda la calle, las cadenas en los aleros, el venado de alambre en el césped y el muñeco de nieve inflable que se endereza a tirones cuando arranca su ventilador. Nadie está en un interruptor. Una caja de plástico barata en un enchufe del garaje decidió que ya se había puesto el sol, y la calle se encendió.
Hay en eso un placer que no necesita explicación, y no voy a explicarlo para quitárselo. Pero quiero seguir el brillo hacia atrás un rato, porque llega muy lejos, y el camino que toma pasa justo por este pueblo.
Filamento y diodo
Empecemos con la bombilla. Si la cadena es vieja, es de filamento: un cabello de tungsteno sellado en vidrio, con el aire extraído para que no se queme. Al pasar corriente por ese cabello, él se resiste, la resistencia lo calienta, y a un par de miles de grados brilla como brilla la hornilla de una estufa, solo que más blanco. Nueve de cada diez partes de la electricidad salen como calor que no se ve, y más o menos una parte, o menos, sale como luz que sí se ve. Por eso las cadenas viejas estaban tibias al tacto y el árbol de su abuela era un pequeño riesgo de incendio. También por eso se veían como se veían. Un objeto caliente brilla en todos los colores a la vez, con más rojo que azul, y el ojo lo lee como cálido.
Si la cadena es de las que hay en la mayoría de las tiendas, cada bombilla es un diodo, que funciona con un truco completamente distinto. Un diodo es una astilla de cristal, un semiconductor, hecho de modo que un lado tenga unos electrones de más y el otro unos de menos. El lado con menos se imagina mejor como un lado con huecos, lugares donde un electrón podría sentarse y no está. Donde los dos lados se encuentran hay un escalón, un pequeño acantilado en el paisaje de la energía. Al empujar corriente a través, los electrones del lado lleno saltan el acantilado y caen en huecos del otro, y cada uno, al aterrizar, entrega la altura que perdió como un solo paquete de luz. Un electrón, un hueco, un fotón. El color del fotón es la altura del acantilado, y la altura la fija de qué está hecho el cristal. No hay filamento y nada se calienta a propósito. Una parte mucho mayor de la electricidad sale como luz que en la bombilla antigua, y se desperdicia mucho menos como calor. Por eso una cadena de cien diodos consume unos pocos vatios y una de cien filamentos consumía unas cuantas decenas, y por eso se pueden dejar los diodos toda la noche sin sentirlo en la cuenta.
Los diodos rojos fueron relativamente fáciles; el primero que dio luz visible se hizo en 1962. Los azules no. Durante décadas el cristal capaz de producir un fotón azul se resistió a crecer lo bastante limpio para funcionar, y sin azul no se puede hacer blanco, y sin blanco el diodo servía para las pantallas de calculadoras y no para los aleros de una casa. Quienes por fin lo lograron, en Japón, con un compuesto de galio y nitrógeno, recibieron por ello el Premio Nobel de Física en 2014. Los diodos blancos de su cadena son azules con un baño de fósforo que absorbe parte del azul y lo devuelve como amarillo. Azul más amarillo, para el ojo, es blanco. Cada vez que mira un porche en diciembre está viendo un premio de física.
Por el cable
Ahora siga el cable. Aquí es donde la imagen que la gente tiene de la electricidad suele fallar, y quiero dejarla bien. Los electrones del cable no vienen de la planta eléctrica. Son los electrones del propio cobre, y están en ese cobre desde que se fundió. Al enchufar la cadena no corren por el cordón. Se arrastran. En un cable doméstico con carga normal derivan a una fracción de milímetro por segundo, más lento que un caracol. Y como la corriente de la pared es alterna, e invierte su dirección ciento veinte veces por segundo, sesenta ciclos completos de ida y vuelta, ni siquiera llegan tan lejos. Se mecen en su sitio, como una multitud que se balancea. Lo que se mueve rápido no son los electrones sino el empujón, el campo, que se establece a lo largo de todo el cable a una buena fracción de la velocidad de la luz. Lo que la planta le manda es el empujón, y el empujón se pasa por la línea de electrón en electrón como se pasa un empujón en un cuarto repleto, y al final de la línea unos cuantos electrones en una astilla de cristal saltan un acantilado y sale un fotón.
El empujón nace de algo que gira. Casi toda la electricidad de la red se hace girando un imán dentro de una bobina de cable. Los paneles de unos cuantos techos de la calle son la excepción, y a las cinco y media de diciembre ya dejaron de trabajar por ese día; todo lo demás es algo que gira. Parte del giro es viento empujando aspas más largas que un autobús, lejos al oeste de aquí. Más es vapor o gas caliente empujando aspas dentro de un edificio, y en esta parte del mundo ese gas es más que nada gas natural. El gas sale de la tierra húmedo, con sus parientes más pesados a bordo, etano, propano y butano, y una planta de procesamiento los separa. Esos líquidos son los que duermen en las cavernas de sal bajo Mont Belvieu, a quince minutos por la carretera, esperando una planta de craqueo o un oleoducto. Lo que queda después, casi puro metano, es el gas seco que baja por el ducto hasta una central y arde en una turbina, y la turbina gira un eje y el eje gira un imán y el imán jala a los electrones de una bobina y empieza el empujón. Sesenta ciclos por segundo. Cada generador de la red girando al paso de todos los demás, en la mayor parte del estado, para que la multitud que se mece en cada cable se mezca junta. Si una gran planta se cae, las demás lo sienten como un freno en sus ejes y bajan un pelo la velocidad, y todo reloj que marca el tiempo con la corriente de la pared pierde un pelo con ellas. La red de Texas es su propia máquina, una isla, unida al resto del país por muy pocas conexiones delgadas. Usted está enchufado a algo casi del tamaño de Texas.
Ese es el camino del diodo de vuelta al pozo. Pasa por Baytown en más de un lugar. El gas que mueve las turbinas es el pariente seco del gas que las plantas del canal desarman como materia prima. El cable está aislado con plástico, y el plástico se hace de etileno, y el etileno se produce aquí por toneladas. El enchufe de plástico, el cordón, la caja del temporizador en el garaje y la piel de vinilo del muñeco de nieve: petroquímica, todo, de una materia prima craqueada en el canal o en una muy parecida. El brillo en los aleros es una larga discusión que empieza con una molécula.
Lo más viejo de la calle
Pero el camino no se detiene en el pozo. Vaya más atrás. El gas del ducto es lo más viejo de la calle, por un margen difícil de sostener en la cabeza. Estuvo vivo una vez, como pequeños seres en un mar cálido, y cuando murieron la energía que habían gastado sus vidas breves en reunir quedó atrás, en los enlaces entre su carbono y su hidrógeno, y allí se quedó, en la oscuridad, bajo un peso creciente de roca, mientras los continentes se corrían a su lugar actual. Al quemar el gas se rompe el enlace y lo que guardaba sale como calor. El calor empuja las aspas. Las aspas giran el imán. El imán empuja los electrones. Los electrones saltan el acantilado del cristal, y algo que se reunió en un mar hace unos cientos de millones de años sale de un porche de Baytown como un fotón a las cinco y media de una tarde de diciembre y recorre los últimos metros de un césped hasta un ojo.
Y el ojo es la parte que no puedo superar. El fotón cae en el fondo del ojo, sobre una célula que lo esperaba justo a él, una molécula de la célula se dobla, un nervio dispara, y un cerebro hecho del mismo carbono que estaba en el mar arma la imagen de una casa con luces, y algo en ese cerebro dice: bonito. No sé cómo decir qué es eso sin sonar más grandioso de lo que merece un porche. Un carbono que alguna vez nadó en un mar cálido mira una luz hecha de carbono que también nadó, y la encuentra hermosa. El universo hizo crecer un ojo, en algún punto del camino, y esta es una de las cosas hacia las que lo apunta.
Imagine a un hombre que lleva el turno de noche en una de las unidades del canal. Llega a casa un poco después de las seis de la mañana en diciembre, y al sol todavía le falta una hora, así que los temporizadores siguen encendidos. Lo último que ve en su calle antes de entrar a dormir son los aleros de su vecino iluminados contra un cielo que apenas empieza a aclararse. No piensa en turbinas. Lleva doce horas pensando en presiones y flujos y ya terminó de pensar. Piensa que las luces son bonitas y que el vecino debería programar el temporizador para apagarlas antes del amanecer, y entra.
Más abajo en la cuadra, una casa tiene un temporizador de medianoche, y la red no nota cuando se apaga. Unos vatios menos en una máquina del tamaño de Texas. En algún lugar un eje gira un pelo más fácil y el reloj de nadie se mueve. Los últimos fotones de esa cadena de diodos ya pasaron la cerca, pasaron la calle, y casi todos acaban en una pared, una hoja o un parabrisas. Unos pocos suben derechos, no tocan nada, atraviesan la brisa del mar, las nubes y la delgada parte alta del aire, y siguen. Pasarán la Luna en poco más de un segundo, y quedarán fuera del alcance de cualquier cosa que pudiera atraparlos mucho antes de que la casa desaparezca.
Sources
- U.S. Department of Energy, LED lighting: https://www.energy.gov/energysaver/led-lighting
- Nobel Foundation, The Nobel Prize in Physics 2014, press release: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2014/press-release/
- ERCOT, about ERCOT and the Texas grid: https://www.ercot.com/about
- NASA, Earth-Moon distance and light travel time: https://science.nasa.gov/moon/facts/