Luz

Marco Histórico: 

¿Qué es la luz? 

El intento de responder esta cuestión ha desarrollado diferentes teorías se han ido elaborando para interpretar la naturaleza de la luz hasta llegar al conocimiento actual. Las primeras aportaciones conocidas pertenecen a los griegos; entre ellas podemos citar a Lepucio (450 a.C.) que pertenecía a la escuela atomista. El consideraba que los cuerpos eran focos que desprendían imágenes, los que eran captados por los ojos y de éstos pasaban al alma que los interpretaba. También encontramos partidarios de la escuela pitagórica que afirmaban justamente lo contrario: no eran los objetos los focos emisores, sino los ojos. Sostenían que el ojo palpaba los objetos mediante una fuerza invisible a modo de tentáculo, y al explorar los objetos determinaba sus dimensiones y color. Dentro de la misma escuela, Euclides (300 a.C.) introdujo el concepto de rayo de luz emitido por el ojo, que se propagaba en línea recta hasta alcanzar el objeto.

No olvidemos que los griegos despreciaban explicar sus ideas en base a la experiencia; por lo cual, si bien, se abocaron a la solución de estos problemas, no encontraron respuestas adecuadas (desde nuestro punto de vista). Recién en el siglo XV (a partir de Galileo) se desarrolla la física como ciencia y, con los avances realizados por la ciencia y la técnica, surgieron, posteriormente, muchos estudiosos que produjeron importantes avances mediante trabajos sobre la luz y los fenómenos luminosos. Aunque hubo algunos casos de excepción, como el árabe Ajasen Basora (965-1039) que describió a la luz como un proyectil que provenía del Sol, rebota en los objetos llegando de esta manera al ojo; es Isaac Newton (1642 - 1727) el que formula la primera hipótesis científica sobre la naturaleza de la luz.

Modelo corpuscular: Conocida como teoría corpuscular o de la emisión, es el primer modelo exitoso en explicar el comportamiento de la luz. En gran parte se debe a la autoridad de Newton, ya que en esa misma época el modelo ondulatorio trataba de explicar el mismo fenómeno.

A finales del siglo XVI, con el uso de lentes e instrumentos ópticos, empezaron a observar, analizar y experimentar los fenómenos luminosos, siendo el holandés Willebrord Snell, en 1620, quién descubrió de manera experimental la ley de la refracción, aunque no fue conocida hasta que, en 1638, René Descartes (1596-1650) publicó su tratado "Óptica". Descartes fue el primer gran defensor de la teoría corpuscular, diciendo que la luz se comportaba como un proyectil que se propulsaba a velocidad infinita. Sin especificar absolutamente nada sobre su naturaleza y rechazando que cierta materia fuera de los objetos al ojo, explicó claramente el fenómeno de reflexión (por el cual podemos vernos en un espejo), pero tuvo alguna dificultad con la refracción (paso del haz de luz de un medio a otro).

En 1672 Newton envió una breve exposición de su teoría de los colores a la Royal Society de Londres. Su publicación provocó tantas críticas que confirmaron su recelo a las publicaciones, por lo que se retiró a la soledad de su estudio en Cambridge. En 1704, sin embargo, publicó su obra Óptica, en la que explicaba detalladamente su teoría. En esta obra explicaba que las fuentes luminosas emiten corpúsculos muy livianos que se desplazan a gran velocidad y en línea recta. Según su teoría la variación de intensidad de la fuente luminosa era proporcional a la cantidad de corpúsculos que emitía en determinado tiempo. La reflexión de la luz consistía en la incidencia de dichos corpúsculos en forma oblicua sobre una superficie espejada, de manera que al llegar a ella variaba de dirección pero siempre en el mismo medio. La igualdad del ángulo de incidencia con el de reflexión se debía a que tanto antes como después de la reflexión los corpúsculos conservaban la misma velocidad (debido a que permanecían en el mismo medio). La refracción la resolvió expresando que los corpúsculos que inciden oblicuamente en una superficie de separación de dos medios de distinta densidad son atraídos por la masa del medio más denso y, por lo tanto, aumenta la componente de la velocidad que es la velocidad que es perpendicular a la superficie de separación, razón por la cual los corpúsculos luminosos se acercan a la normal. El fenómeno de la birrefrigencia del espato de Islandia descubierto por el danés Bartholinus en 1669, quiso ser justificado por Newton  suponiendo que los corpúsculos del rayo podían ser rectangulares y sus propiedades variar según su orientación respecto a la dirección de la propagación.

Según lo expresado por Newton en su obra, la velocidad de la luz aumentaría en los medios de mayor densidad, lo cual contradice los resultados de los experimentos realizados años después. Esta explicación, contradictoria con los resultados experimentales sobre la velocidad de la luz en medios más densos que el vacío, obligó al abandono de la teoría corpuscular para adoptar el modelo ondulatorio.

Modelo ondulatorio: Desde otro punto de vista, Christian Huygens (astrónomo, matemático y físico holandés) en el año 1678, describe y explica lo que hoy se considera las leyes de reflexión y refracción. Define a la luz como un movimiento ondulatorio semejante a la propagación del sonido, de tipo mecánico, que necesita un medio material para propagarse. 

Supuso tres hipótesis:

1. Todos los puntos de un frente de ondas son centros emisores de ondas secundarias.
2. De todo centro emisor se propagan ondas en todas direcciones del espacio con velocidad distinta en cada medio.
3. Como la luz se propaga en el vacío y necesita un material perfecto sin rozamiento, supuso que todo el espacio estaba ocupado por éter.

Las ondas mecánica requieren de algún medio material que las transporte, para las ondas lumínicas se suponía la existencia de una materia insustancial e invisible a la cual se le llamó éter, la que debía estar esparcida por todo el espacio. Justamente la existencia del éter fue el principal problema de la teoría ondulatoria. 

En aquella época, la teoría de Huygens no fue muy considerada, fundamentalmente, y tal como se ha mencionado, dado al prestigio que alcanzó Newton. Pasó más de un siglo para que fuera tomada en cuenta gracias a los experimentos del médico inglés Thomas Young sobre los fenómenos de interferencias luminosas, y los del físico francés Auguste J. Fresnel sobre la difracción, que fueron decisivos para que se colocara en la tabla de estudios de los físicos sobre la luz, la propuesta realizada por Huygens en el siglo XVII .

Thomas Young demostró experimentalmente un hecho paradójico que no se podía explicar desde la teoría corpuscular: la suma de dos fuentes luminosas pueden producir menos luminosidad que por separado. Su experiencia consistía en  practicar dos minúsculas ranuras muy próximas entre sí sobre una tela negra en la que se hace incidir luz de un pequeño y distante foco apareciendo sobre la pantalla (colocada a determinada distancia de la tela)  en forma de líneas alternativamente brillantes y oscuros. ¿Cómo explicar el efecto de ambas ranuras, que por separado darían un campo iluminado, combinadas producen sombra en ciertas zonas? Young logró explicar la alternancia de las franjas asociando las ondas de luz al comportamiento de las ondas acuáticas. Si las ondas suman sus crestas hallándose en concordancia de fase, la vibración resultante será intensa y se verá una zona clara. Por el contrario, si la cresta de una onda coincide con el valle de la otra, la vibración resultante será nula, viéndose una zona oscura. Deducción simple imputada a una interferencia y se desarrolla la idea de la luz como estado vibratorio de una materia insustancial e invisible, el éter, al cual se le resucita.

Ahora bien, la colaboración de Auguste Fresnel para el rescate de la teoría ondulatoria de la luz estuvo dada por el aporte matemático que le dio rigor a las ideas propuestas por Young y la explicación que presentó sobre el fenómeno de la polarización al transformar el movimiento ondulatorio longitudinal, supuesto por Huygens y ratificado por Young, quien creía que las vibraciones luminosas se efectuaban en dirección paralela a la propagación de la onda luminosa, en transversales. Pero aquí, y pese a las sagaces explicaciones que incluso rayan en las adivinanzas dadas por Fresnel, inmediatamente queda presentada una gran contradicción a esta doctrina, ya que no es posible que se pueda propagar en el éter la luz por medio de ondas transversales, debido a que éstas sólo se propagan en medios sólidos.

En su trabajo, Fresnel explica una multiplicidad de fenómenos manifestados por la luz polarizada. Observa que dos rayos polarizados ubicados en un mismo plano se interfieren, pero no lo hacen si están polarizados entre sí cuando se encuentran perpendicularmente. Este descubrimiento lo invita a pensar que en un rayo polarizado debe ocurrir algo perpendicularmente en dirección a la propagación y establece que ese algo no puede ser más que la propia vibración luminosa. La conclusión se impone: las vibraciones en la luz no pueden ser longitudinales, como Young lo propusiera, sino perpendiculares a la dirección de propagación, transversales.

Las distintas investigaciones y estudios que se realizaron sobre la naturaleza de la luz, en la época engendraron aspiraciones de mayores conocimientos sobre la luz. Entre ellas, se encuentra la de lograr medir la velocidad de la luz con mayor exactitud que la permitida por las observaciones astronómicas (En 1670 el astrónomo danés Olaf Roemer pudo calcular la velocidad de la luz observando el eclipse de una de las lunas de Jupiter). Hippolyte Fizeau (1819- 1896) concretó el proyecto en 1849 con un clásico experimento. Hizo pasar la luz reflejada por dos espejos entre los intersticios de una rueda girando rápidamente, determinó la velocidad que podría tener la luz en su trayectoria, que estimó aproximadamente en 300.000 km./s. Después de Fizeau, lo siguió León Foucault (1819 – 1868) al medir la velocidad de propagación de la luz a través del agua. Este experimento fue de gran interés, ya que sirvió de criterio para analizar la veracidad beligerante entre la teoría corpuscular y la ondulatoria. La primera teoría requería que la velocidad fuese mayor en el agua que en el aire; lo contrario exigía, la segunda. En sus experimentos logró comprobar que la velocidad de la luz cuando transcurre por el agua es inferior a la que desarrolla cuando transita por el aire. La teoría ondulatoria adquiere cierta preeminencia sobre la corpuscular, y pavimenta el camino hacia la gran síntesis realizada por Maxwell.

Velocidad de la Luz: en 1670, por primera vez en la historia, el astrónomo danés Olaf Roemer (1644-1710) pudo calcular la velocidad de la luz. Se hallaba estudiando los eclipses de una de las lunas de Júpiter, cuyo período había determinado tiempo atrás. Estaba en condiciones de calcular cuales serían los próximos eclipses. Se dispuso a observar uno de ellos, y con sorpresa vio que a pesar de que llegaba el instante tan cuidadosamente calculado por él, el eclipse no se producía. El satélite demoró 996 seg. en desaparecer. Presupuso que la demora era producida debido a que la luz debía recorrer una distancia suplementaria de 299.000.000 Km., que es el diámetro de la órbita terrestre. Su observación anterior correspondía a una estación distinta del año y la posición de la Tierra no era la misma. 

Suponiendo que la luz se propagara a velocidad constante y en línea recta se puede calcular la velocidad de propagación dividiendo el espacio recorrido por el tiempo tardado: V_luz = 299.000.000 Km : 996 seg. = 300.200 ^Km/_seg.

Observaciones posteriores llevaron a la conclusión que el atraso en cuestión era de 1.002 seg., lo cual da por resultado que la velocidad de la luz sería de 298.300 Km/seg.

En 1849, el físico francés Fizeau, logró medir la velocidad de la luz mediante una experiencia hecha en la Tierra. Para calcular la velocidad con la que la luz realizaba el recorrido total, colocó una rueda dentada delante del haz luminoso, de modo que los dientes bloquearan la luz y los espacios intermedios la dejaran pasar. La velocidad de rotación de la rueda, muy elevada, se regulaba de modo que la luz que pasaba entre dos dientes tuviera justo el tiempo de llegar hasta la ventana y volver, antes de ser ocultada por el siguiente diente. Conociendo la distancia recorrida por el haz luminoso y la velocidad de rotación de la rueda, Fizeau obtuvo una medida de la velocidad de la luz 

La rueda tiene igual cantidad de dientes y espacios entre ellos, X dientes y X espacios, por lo tanto su perímetro será 2X. Da n vueltas por segundo (que es la frecuencia con que gira), o sea que,  por cada segundo pasan 2 xn dientes y espacios. El tiempo es inversamente proporcional a la frecuencia, de allí que: t = (2xn) ^-1.

Cuando no llega mas luz al observador es evidente que los tiempos de ida y de vuelta son iguales. Aplicando las ecuaciones de MRU tenemos: v = 2d / t  = 2d / (2xn) ^{– 1} = 2d . 2 xn = 4d xn

Fizeau colocó el espejo a 8.633 m del observador, la rueda tenía 760 dientes y giraba a 12,6 revoluciones por segundo.

Si aplicamos la fórmula obtenida, resultará: v = 313.274 Km./seg.

León Foucault y  Fizeau (casi simultáneamente), hallaron en 1850 un método que permite medir la velocidad de la luz en espacios reducidos. La idea consiste en enviar un haz de luz sobre un espejo giratorio haciéndole atravesar una lámina de vidrio semitransparente y semirreflectora, un espejo fijo devuelve el rayo y atraviesa luego lámina observándose la mancha luminosa en una pantalla. Con este método se obtuvo que:  v = 295.680 Km./seg.

En general todas las mediciones de que se tiene conocimiento obtuvieron resultados entre 298.000 Km/seg y 313.300 Km/seg sin embargo se toma como velocidad de la luz la de 300.000 Km/seg por ser un término medio entre los valores obtenidos y por ser una cifra exacta que facilitan los cálculos.

Modelo electromagnético: los físicos sabían desde principios del siglo XIX que la luz se propaga como una onda transversal (una onda en la que las vibraciones son perpendiculares a la dirección de avance del frente de ondas). Sin embargo, suponían que las ondas de luz requerían algún medio material para transmitirse, por lo que postulaban la existencia de una sustancia difusa, llamada éter, que constituía el medio no observable. Maxwell apareció con una teoría que hacía innecesaria esa suposición, pero el concepto de éter no se abandonó inmediatamente, porque encajaba con el concepto newtoniano de un marco absoluto de referencia espaciotemporal.

James Clerk Maxwell (1831-1879), físico inglés, dio en 1865 a los descubrimientos sobre la relación entre campos eléctricos y magnéticos había realizado el genial autodidacta Michael Faraday , un andamiaje matemático y logró reunir los fenómenos ópticos y electromagnéticos hasta entonces identificados dentro del marco de una teoría de reconocida hermosura y de acabada estructura. En la descripción que hace de su propuesta, Maxwell propugna que cada cambio del campo eléctrico engendra en su proximidad un campo magnético, e inversamente cada variación del campo magnético origina uno eléctrico.

Dado que las acciones eléctricas se propagan con velocidad finita de punto a punto, se podrán concebir los cambios periódicos - cambios en dirección e intensidad - de un campo eléctrico como una propagación de ondas. Tales ondas eléctricas están necesariamente acompañadas por ondas magnéticas indisolublemente ligadas a ellas (variación de campos inducidos). Los dos campos, eléctrico y magnético, periódicamente variables, están constantemente perpendiculares entre sí y a la dirección común de su propagación. Son, pues, ondas transversales semejantes a las de la luz. Por otra parte, las ondas electromagnéticas se transmiten, como se puede deducir de las investigaciones de Weber y Kohlrausch, con la misma velocidad que la luz. De esta doble analogía, y haciendo gala de una espectacular volada especulativa Maxwell termina concluyendo que la luz consiste en una perturbación electromagnética que se propaga en el éter. Ondas eléctricas y ondas luminosas son fenómenos idénticos.

Veinte años más tarde, Heinrich Hertz (1857-1894) comprueba que las ondas hertzianas de origen electromagnético tienen las mismas propiedades que las ondas luminosas, estableciendo con ello, definitivamente, la identidad de ambos fenómenos.

Hertz, en 1888, logró producir ondas por medios exclusivamente eléctricos y, a su vez, demostrar que estas ondas poseen todas las características de la luz visible, con la única diferencia de que las longitudes de sus ondas son manifiestamente mayores. Ello, deja en evidencia que las ondas eléctricas se dejan refractar, reflejar y polarizar, y que su velocidad de propagación es igual a la de la luz. La propuesta de Maxwell quedaba confirmada: ¡la existencia de las ondas electromagnéticas era una realidad inequívoca! Establecido lo anterior, sobre la factibilidad de transmitir oscilaciones eléctricas sin inalámbricas, se abrían las compuertas para que se produjera el desarrollo de una multiplicidad de inventivas que han jugado un rol significativo en la evolución de la naturaleza humana contemporánea.

Pero las investigaciones de Maxwell y Hertz no sólo se limitaron al ámbito de las utilizaciones prácticas, sino que también trajeron con ellas importantes consecuencias teóricas. Todas las radiaciones se revelaron de la misma índole física, diferenciándose solamente en la longitud de onda en la cual se producen. Su escala comienza con las largas ondas hertzianas y, pasando por la luz visible, se llegan a la de los rayos ultravioletas, los rayos X, los radiactivos, y los rayos cósmicos.

Sin embargo, la teoría electromagnética de Maxwell, pese a su belleza, deja sin explicación fenómenos como el fotoeléctrico, y la emisión de luz por cuerpos incandescentes. En consecuencia, pasado el entusiasmo inicial, fue necesario para los físicos, como los hizo Planck (a regañadientes) en 1900, retomar la teoría corpuscular. La salida al dilema que presentaban las diferentes teorías sobre la naturaleza de la luz, empezó a tomar forma en 1895 en la mente de un estudiante de dieciséis años, Albert Einstein, que en el año 1905, en un ensayo publicado en el prestigioso periódico alemán Anales de la física, abre el camino para eliminar la dicotomía que existía sobre las consideraciones que se hacían sobre la luz al introducir el principio que más tarde se haría famoso como relatividad. 

La luz es, de acuerdo a la visión actual, una oscilación electromagnética que se propaga en el vacío cuya longitud de onda es muy pequeña, unos 6.500 Å para la luz roja y unos 4.500 Å para la luz azul. (1Å = un Angstrom, corresponde a una décima de milimicra, esto es, una diez millonésima de milímetro).

Por otra parte, la luz es una parte insignificante del espectro electromagnético. Más allá del rojo está la radiación infrarroja; con longitudes de ondas aún más largas la zona del infrarrojo lejano, las microondas de radio, y luego toda la gama de las ondas de radio, desde las ondas de centímetros de longitud, metros y decámetros, hasta las ondas largas de radiocomunicación, con longitudes de cientos de metros y más. Por ejemplo, el dial de amplitud modulada, la llamada onda media, va desde 550 y 1.600 kilociclos por segundo, que corresponde a una longitud de onda de 545 a 188 metros, respectivamente.

Radio AM

Onda Corta

Radio FM

Microondas

Infrarrojos

Ultravioleta

Rayos X

Rayos g

En física, se identifica a las ondas por lo que se llama longitud de onda, distancia entre dos máximos y por su frecuencia, número de oscilaciones por segundo, que se cuenta en un punto, y se mide en ciclos por segundo (oscilaciones por segundo). El producto de ambas cantidades es igual a la velocidad de propagación de la onda.

En el otro extremos del espectro electromagnético se encuentra la radiación ultravioleta, luego los rayos x y a longitudes de onda muy diminutas los rayos .

La atmósfera terrestre es transparente sólo en la región óptica, algo en el infrarrojo y en la zona de ondas de radio. Por ello, es que la mayor información que hemos obtenido sobre el universo ha sido a través de la ventana óptica, aunque en las últimas décadas la radioastronomía ha venido jugando un rol sustancial en la entrega de conocimientos sobre el cosmos, proporcionando datos cruciales. Observaciones en el ultravioleta, rayos X y , como así también de parte del infrarrojo, hay que efectuarlas con instrumentos ubicados fuera de la atmósfera de la Tierra. Sin embargo, es posible también obtener resultados en el infrarrojo con instrumentación alojada en observatorios terrestres empotrados a gran altura sobre el nivel del mar o con tecnología puesta en aviones o globos que se eleven por sobre la baja atmósfera, que contiene la mayor parte del vapor de agua, que es la principal causa de la absorción atmosférica en el infrarrojo.

Longitud de Onda de De Broglie: En 1924, Louis de Broglie, plantea la posibilidad de asociar una función de onda a las partículas. El razonamiento lo hace por criterios de simetría con respecto a la necesidad de asignar propiedades corpusculares a la radiación electromagnética (cuya conveniencia es el resultado de analizar experiencias como por ejemplo los efectos fotoeléctrico y Compton). Una consecuencia inmediata del principio de De Broglie es la interpretación de las leyes de cuantificación utilizadas, por ejemplo, en el modelo atómico de Bohr, como equivalentes a considerar solo aquellas mal llamadas "órbitas" cuya longitud hace que la onda del electrón sea estacionaria. 

La hipótesis de de Broglie adquiere fuerza con los resultados del experimento de Davisson y Germer, entre otros, en los que un haz de electrones acelerados produce un patrón de interferencia, resultado típicamente ondulatorio, al ser dispersado por un cristal de Níquel. Las conclusiones de los experimentos de difracción de haces de partículas, y de interpretación del efecto Compton, así como otras experiencias con radiación electromagnética, hacen que nos cuestionemos sobre la "verdadera" naturaleza de la materia y de las radiaciones, ¿son ondas o partículas?. El principio de Complementariedad de Niels Bohr, nos indica la dualidad de ondas y partículas, siendo el experimento planteado el que determine el modelo a utilizar. 

En vista de la necesidad de asociar una función de onda a las partículas, nos induce a plantear la posible interpretación física de la misma. Los conocimientos previos de campos electromagnéticos, unidos a la interpretación corpuscular de la radiación electromagnética, indujeron a Albert Einstein a interpretar el cuadrado de la amplitud del campo eléctrico como una medida de la densidad de fotones de un haz, por tanto, la densidad de partículas de un haz podría asociarse al cuadrado de la amplitud de la función de onda de materia. Sin embargo, el significado de la función de ondas de una única partícula no queda claro. Max Born, sugiere que en ese caso la interpretación es la de una densidad de probabilidad de presencia de la partícula entorno a una posición determinada del espacio y en un instante de tiempo. Queda de esta forma asociada la función de onda a una probabilidad, concepto contrapuesto, en cierta medida, al determinismo asociado a la "posición espacial" de la física clásica (una de las muchas "oposiciones" de la mecánica relativista y la mecánica clásica). 

Haciendo uso, una vez más, de los conocimientos del electromagnetismo se representa a las partículas por medio de ondas armónicas, u ondas planas. Sin embargo la interpretación de Born conduce a una total "deslocalización" espacial para éstas partículas, se tiene por tanto, que introducir paquetes de ondas, es decir superposición de ondas planas, para poder limitar la deslocalización de la partícula a una zona de dimensiones finitas. Ahora bien, matemáticamente, para construir un paquete de ondas de dimensiones espaciales finitas, se necesita un rango de vectores de ondas distintos. Si el paquete es una representación de la onda de materia, puede concluirse, que cuanto más localizada esté una partícula, más amplio será el espectro de vectores de ondas, es decir de cantidades de movimiento, necesario. Este es el concepto básico contenido en el Principio de Indeterminación de Heisemberg. Éste principio destruye por completo el determinismo clásico ya que impide la definición, con absoluta precisión, de las condiciones iniciales de un sistema físico, premisa en que se basa la supuesta posibilidad de predecir, de nuevo con absoluta precisión según la física clásica, la evolución futura del sistema.

Luis de Broglie fue quien señaló que las partículas poseían no sólo características de tales sino también de ondas, lo que llevó al señalamiento jocoso de que los electrones se comportaban como partículas los lunes, miércoles y viernes y como ondas los martes y jueves. Ya se conocía, gracias a Einstein, que el fotón podía ser descrito por su masa en reposo y por su frecuencia lo que llevó a relacionar el momento del fotón (característica de partícula) con la frecuencia (característica de onda), y a de Broglie a proponer que esta asociación era característica de todas las partículas, no sólo del fotón, lo que se esquematiza en la siguiente ecuación: p . λ = h

De esta asociación entre partículas y ondas es que surge luego la teoría ondulatoria de Schrödinger que representa un paso adelante, (ó varios para atrás, según algunos físicos que se dedican a física cuántica).