¿QUÉ ES LA LUZ? : HISTORIA DE LAS TEORÍAS SOBRE LA NATURALEZA DE LA
LUZ
¿Cómo es que podemos ver? Esta es una pregunta interesante para todos los seres humanos. Hoy
en día, para contestarla, tenemos la fortuna de disponer de información acumulada a través de
miles de años. Allá por 500 A.C., en tiempos del apogeo de la cultura griega, esto no era así. En
aquel entonces, los primeros filósofos trataban de encontrar una respuesta para esa pregunta,
buscándola por sí mismos. Aunque sus respuestas no resultan satisfactorias en nuestro tiempo,
hay que reconocerles el gran mérito de haber sido quienes iniciaron la búsqueda.
la luz es una onda y un conjunto de particulas.
El sentido de la vista tiene en común con el tacto que nos permite conocer la forma de los
objetos, pero tiene la ventaja de que puede hacerlo aún habiendo distancia de por medio. Los
filósofos griegos trataron de explicar cómo era que la vista conseguía salvar esta distancia.
Empédocles pensaba que la vista no era más que tocar los objetos con una “mano” muy larga. Él
creía que de los ojos salían emanaciones que hacían contacto con los objetos y recogían su
forma. Esta teoría se llama extramisión. Leucipo, en cambio creía que el acercamiento ocurría en
sentido contrario. Los objetos emitían “algo” que contenía su forma y color, y que incidía sobre
los ojos, los cuales no hacían más que captarlo. Esta teoría se llama intromisión.
Ya que sin luz no podemos ver, se suponía que estas emanaciones no podían existir en la
oscuridad pero ni Empédocles, ni Leucipo pudieron decir nada sobre su naturaleza. Sin embargo,
había algo completamente claro: las emanaciones o “rayos” viajan en línea recta. Esto hace que
su propagación pueda estudiarse usando las leyes de la geometría. No es de extrañarse que
Euclides, el padre de la geometría tradicional o euclidiana, escribiera un libro sobre el tema, en
el que establece las bases de la perspectiva, técnica que aún usan hoy en día dibujantes y
pintores en todo el mundo.
Fue muchos años después cuando se resolvió el añejo debate de extramisión contra
intromisión. El encargado de esto fue Alhazen, médico árabe nacido en lo que hoy es Irak.
Tomando entre otras cosas el hecho de que mirar directamente al sol lastima los ojos, dedujo
acertadamente que los ojos son receptores y no emisores. También acertó al explicar que un
objeto recibe luz del ambiente y la esparce en todas direcciones. En ausencia de obstáculos, esta
luz esparcida se propaga hacia el ojo y le permite percibir el objeto. Si no hay luz, los objetos no
pueden esparcir nada y es por eso que no los podemos ver.
Newton presenta sus leyes
A finales del siglo XVII, Newton enunció tres leyes que revolucionarían la física. La primera ley
de Newton o de la inercia establece que en ausencia de fuerzas aplicadas, un cuerpo en reposo
permanecerá en reposo y uno en movimiento rectilíneo uniforme, seguirá así permanentemente.
Esto contradice el concepto intuitivo, consagrado por Aristóteles de que los cuerpos tienen
siempre tendencia al reposo y que es necesario aplicarles una fuerza para mantenerlos en
movimiento.
- La propagación rectilínea de la luz puede analizarse utilizando leyes geométricas simples. Es por
esto que, aunque perfeccionada durante el Renacimiento, fue Euclides quien sentó las bases de la perspectiva.
La segunda ley nos dice cómo un cuerpo de una masa determinada cambia su estado de
movimiento en respuesta a cierta fuerza aplicada. Ya que a mayor masa hay mayor tendencia del
cuerpo a seguir en su estado original, se puede decir que la masa es la medida de su inercia. La
tercera ley de Newton, o ley de acción y reacción, dice que las fuerzas siempre vienen en pares.
Si A ejerce una fuerza en B, necesariamente habrá una fuerza de reacción de B sobre A.
Además de estas tres elegantes leyes, a Newton también le debemos la ley de la
Gravitación Universal, el Cálculo y una amplia investigación experimental sobre la luz. Por todo
esto, se considera merecidamente a Isaac Newton como el padre de la física. Sin embargo, sus
teorías sobre la luz, nunca tuvieron el mismo nivel que el resto de su obra. A pesar de esto, en
muchos centros de estudio, la lectura acrítica de los textos de Aristóteles fue reemplazada por la
lectura acrítica de los textos de Newton. Este hecho desempeña un papel significativo en la
historia que contaremos a continuación.
Newton dice: la luz está formada por partículas
Las leyes de Newton consiguieron explicar tantos fenómenos, que fue fácil exagerar y pensar
que podían explicarlos todos. En este contexto, Isaac Newton explicó la naturaleza de la luz,
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considerando que está formada de pequeñas pelotitas, en lo que se conoce como teoría
corpuscular o de emisión. El movimiento de estas pelotitas podía explicarse por medio de las
leyes de Newton. Es verdad que esta teoría da respuestas a muchas preguntas ¿Por qué la luz
viaja en línea recta? Porque así es como toda partícula viaja de acuerdo a la ley de la inercia.
¿Porqué la luz se refleja en algunas superficies? Porque las pelotitas de que está formada,
rebotan.
Explicar la refracción es un poco más complicado. Sin embargo, Newton supuso que la
velocidad de las pelotitas de luz aumenta bruscamente al pasar de un medio menos denso a otro
más denso. El ángulo de refracción calculado de este modo, coincide perfectamente con el
encontrado experimentalmente, lo que es más que satisfactorio. En realidad, la suposición de que
la velocidad de la luz es mayor en los materiales más densos es falsa. Es cierto que la velocidad
de la luz cambia al pasar a un medio más denso, pero su cambio consiste en una reducción. No
obstante, en aquel entonces nadie lo sabía, ya que aún no era posible medir la velocidad de la luz.
Para Newton, la intensidad de la luz correspondía con la cantidad de pelotitas que cruzan
un punto determinado por unidad de tiempo. La luz demasiado intensa es dañina porque los ojos
no pueden soportar la energía que la pelotitas liberan al golpearlos. Por otra parte, la luz de
diferentes colores consiste en pelotitas de diferentes tamaños, las más pequeñas correspondientes
al color violeta y las más grandes al color rojo. Tiempo después, los seguidores de Newton
explicaron la polarización suponiendo que las pelotitas no son redondas sino que tienen cierta
forma geométrica y que un filtro polarizador sólo permite pasar a las que tienen una orientación
determinada.
-Cuenta la leyenda que una manzana cayendo de un árbol fue la fuente de inspiración de Isaac
Newton. Quizás también pensaba en manzanas cuando planteó que la luz está formada de partículas. Sin embargo, su idea de que la intensidad de la luz proyectada sobre una pantalla depende de cuantas partículas la golpean por unidad de tiempo, no consigue explicar las franjas que aparecen en el experimento de Young.
Sin embargo, la difracción seguía resistiendo las explicaciones basadas en la teoría corpuscular.
Si la luz estuviera hecha de pelotitas que viajan en línea recta, un obstáculo debería solamente
detener una parte de éstas y la proyección de la luz sobre una pantalla consistiría simplemente en una sombra geométrica, como ocurre efectivamente para obstáculos grandes. Sin embargo, no
había forma de explicar porqué para obstáculos pequeños la luz se desvía tan notoriamente de su
trayectoria rectilínea, ni porqué la luz proyecta sobre una pantalla un complejo patrón de
difracción.
¿Qué es una onda?
Supongamos que estamos frente a un estanque en un día sin viento; el agua de la superficie, en
calma, está perfectamente horizontal. El arrojar una piedra cambiará esta situación. En el punto
en donde la piedra cae, el agua se aparta de su posición de equilibrio. Después de un rato, el agua
en este punto regresa a la normalidad, pero ahora es el agua a su alrededor la que está perturbada.
A esta perturbación del agua que se propaga en todas direcciones le llamamos onda. Si
consideramos que el eje de las abscisas es el nivel del agua en equilibrio, la figura 4 podría ser un
esquema bastante realista de una de estas ondas. Un punto en donde el agua alcanza su altura
máxima es una cresta y uno donde alcanza su altura mínima es un valle. La distancia máxima
que la altura del agua puede alejarse de su posición de equilibrio se llama amplitud. La distancia
entre cresta y cresta o entre valle y valle se llama longitud de onda. Es importante destacar que
aunque la onda se propague en dirección horizontal, el agua no se mueve nunca en esta
dirección. El agua se mueve hacia arriba o hacia abajo cuando sale de su posición de equilibrio,
pero una vez pasada la perturbación regresa a su posición original. El agua es sólo el medio a
través del cual viaja la onda.
Figura 4: Esquema de una onda, mostrando sus principales parámetros. La amplitud es la desviación máxima del valor de equilibrio. Lo longitud de onda es la distancia entre dos puntos equivalentes.
la perturbación provoca que una partícula se separe de su posición de equilibrio, en dirección
vertical en (a) y en dirección horizontal en (b). Las partículas no tienen movimiento neto, ya que
son sólo el medio a través del cual se propaga la perturbación: después de que ésta pasa, regresan a su posición de equilibrio.
Ya que el movimiento de la partícula y el de la perturbación son dos cosas diferentes, las ondas
se pueden clasificar en dos tipos. Si la dirección del movimiento de la partícula y la dirección en
que la perturbación se propaga son diferentes, como ocurre en (a) tenemos una onda transversal.
Las ondas en un estanque son transversales, ya que la perturbación hace que el agua suba y baje,
mientras la onda se propaga horizontalmente. Por otra parte, si la dirección del movimiento de la
partícula y la dirección de la propagación son la misma, como ocurre en (b), tenemos una onda
longitudinal. La figura 4 puede representar sin ningún cambio a cualquier onda transversal, y con
un poco de imaginación puede usarse también para representar una onda longitudinal.
La suma de ondas presenta algunos fenómenos interesantes. Cuando dos ondas se
encuentran, no necesariamente coinciden las crestas de una con las crestas de la otra. Si lo hacen,
se dice que están en fase. Si dos ondas de la misma amplitud se encuentran en fase, el resultado
es una onda con una amplitud dos veces mayor que la original. A esto se le llama interferencia
constructiva. Si no existe esta coincidencia se dice que las ondas están fuera de fase. En
particular, si la cresta de una onda coincide con el valle de la otra, se dice que las ondas están en
contrafase. Cuando dos ondas de la misma amplitud se encuentran en contrafase, se cancelan una
con otra. A esto se le llama interferencia destructiva.
El sonido es una onda longitudinal de presión del aire. En un cuarto silencioso, la presión del aire
sería constante y tendría un cierto valor de equilibrio. Si suena una campana, su efecto consiste
en perturbar el aire próximo, haciendo que su presión tome valores mayores o menores que la
presión en equilibrio. Esta perturbación se propaga a través del aire hasta nuestro oído, en donde
finalmente los cambios de presión son detectados por nuestro tímpano y enviados al cerebro para ser procesados. Si no hay nada que perturbar, como ocurre en el espacio vacío, el sonido no se puede propagar.
Huygens dice: la luz está hecha de ondas
En la época de los griegos, las dos principales teorías estaban basadas en una analogía entre vista
y tacto. Muchos siglos después, la analogía entre vista y oído motivó muchas reflexiones. La
vista y el oído tienen en común que ambos funcionan a larga distancia. La naturaleza ondulatoria
del sonido ya había sido bien establecida. Era inevitable preguntarse ¿no será la luz también una
onda? Un holandés llamado Christian Huygens contestó afirmativamente a esta pregunta.
En la teoría ondulatoria de Huygens, la intensidad de la luz se relaciona con la amplitud de la
onda mientras que los diferentes colores corresponden a valores diferentes de las longitudes de
onda: el color rojo tiene la longitud de onda más larga, mientras que el color violeta tiene la más
corta. Según el principio de Huygens, cuando la luz se encuentra con un obstáculo, cada punto de
éste se convierte en una nueva fuente de onditas que se propagan en todas direcciones, lo que
explica sin problemas la difracción. Estas onditas interfieren entre sí, dando lugar a direcciones
de propagación preferenciales, como las que ocurren en los fenómenos de reflexión y refracción.
Las franjas que aparecen en el experimento de Young pueden explicarse directamente como
consecuencia de interferencia constructiva y destructiva entre los dos haces de luz. Del mismo
modo, las regiones iluminadas y oscuras en un patrón de difracción, se explican como
consecuencia de interferencia entre rayos difractados en diferentes direcciones. Más importante,
el principio de Huygens permite calcular, con extremada precisión, los patrones de difracción
esperados para diferentes obstáculos.
En resumen, tenemos que la teoría ondulatoria puede explicar propiedades de la luz como
la intensidad y el color y fenómenos como la reflexión, la refracción, al igual que lo hace la
teoría corpuscular. Pero además, la teoría ondulatoria puede explicar más que satisfactoriamente
la difracción, cosa que la teoría corpuscular no puede. A pesar la evidente ventaja, la teoría
ondulatoria fue recibida con recelo. Por una parte estaba el gran prestigio de Isaac Newton, pero
por otra, es verdad que la teoría tenía varios puntos flacos. La analogía entre sonido y luz, que
fue la principal impulsora de la teoría, es útil también para señalar sus problemas. Si la luz es una
onda, ¿por qué no puede sacarle la vuelta a los obstáculos como lo hace el sonido? Además, si el
sonido no presenta polarización ¿por qué la luz sí? Por último, si se coloca una campana dentro
de un recipiente transparente al vacío, no podemos oír el sonido de la campana, pero sí podemos
verla. ¿Por qué el sonido no puede propagarse en el vacío mientras que la luz sí puede?
El principio de Huygens puede explicar esto sin problemas, ya que predice que la
difracción sólo será perceptible cuando las dimensiones del obstáculo sean similares a la longitud
de onda. La longitud de onda de la luz es muy pequeña en comparación con los objetos
cotidianos, por lo que en nuestra vida diaria es muy difícil que la percibamos y podemos
considerar por tanto, que la luz viaja en línea recta. En cambio, la longitud de onda del sonido es
mucho más grande, por lo que la difracción sí puede percibirse y estas porciones difractadas nos
permiten escuchar a pesar de no estar frente a la fuente de sonido o de que se nos atraviese lgún
obstáculo.
El hecho de que el sonido no presente polarización y la luz sí, también tiene una
explicación simple. El sonido es una onda longitudinal y si se propaga en cierta dirección, esa
será exactamente la dirección de la perturbación. Por otra parte, para una onda transversal, la
perturbación puede ocurrir en cualquier dirección perpendicular a la de propagación. Hay
infinitas direcciones en que esto puede cumplirse. Es de esperarse que en un grupo de ondas
transversales se encuentren perturbaciones orientadas aleatoriamente en todas las direcciones
posibles. El paso por un filtro polarizador seleccionaría aquellas ondas cuyas perturbaciones se
mueven en una dirección específica. Si consideramos que la luz está formada por ondas
transversales, podemos explicar porqué presenta polarización, lo que para el sonido, que es una
onda longitudinal, sería imposible.
La última de las preguntas es sin duda la más difícil. Ya mencionamos que el sonido es
una perturbación de la presión del aire. Si la luz es una onda y puede viajar en el vacío, ¿qué es
exactamente lo que perturba? Una perturbación no puede existir si no hay nada que perturbar, así que se supuso que el vacío absoluto no existe y que todo el universo se encuentra lleno de una
sustancia infinitamente más ligera que el aire a la que se llamó éter. La idea de que una onda
pudiera propagarse a través del espacio vacío se consideraba tan descabellada que, a pesar de que no haber ninguna prueba, la existencia del éter se consideraba incuestionable. Sin embargo, había
más sorpresas esperando.
La historia no ha terminado de escribirse
No todos se han resignado tan fácilmente. Constantemente se han diseñado experimentos con el
propósito de determinar si la luz es más onda que partícula o viceversa. Uno de estos consistió en
una repetición del experimento de Young, pero reduciendo la intensidad de la luz de tal modo
que en un cierto instante sólo un fotón pudiera estar atravesando una u otra rendija. El resultado
es que el patrón de difracción empieza a formarse paulatinamente a partir de las marcas que
dejan los choques de los fotones en la pantalla. Esto es desconcertante ya que la teoría
electromagnética dice que las franjas luminosas y oscuras son consecuencia de la interferencia
constructiva y destructiva de luz que sigue dos trayectorias diferentes. Pero si en cada momento
sólo se está transmitiendo luz por una sola de las rendijas ¿cómo puede haber interferencia?
Hasta hoy, nadie ha dado una respuesta que les guste a todos, a estas y otras
interrogantes. Tanto el uso de la teoría electromagnética como el de la mecánica cuántica se
revelaron como poderosas herramientas para el desarrollo tecnológico. Sin embargo, no
deberíamos caer en el error tantas veces repetido de tomar a las últimas teorías conocidas como
la verdad absoluta. La verdad debe ser algo mucho más complejo y seguramente en el futuro
alguien se aventurará a encontrar una nueva forma de explicar todos estos fenómenos; una nueva
forma, tan clara y elegante, que consiga descartar a las teorías actuales. ¿Ocurrirá esto pronto?
¿Tendremos oportunidad de verlo? ¿Quién será el valiente que se atreva?¿No podría ser acaso...
uno de nosotros?
