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¿Qué es realmente la luz? ¿Partículas? ¿Ondas?

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física    ~    Comentarios Comments (4)

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Desde que puedo recordar, he sido un amante de la física. Me asombran cuestiones como la luz, su naturaleza de un conglomerado de colores, ondas y partículas, su velocidad que nos marca el límite del máximo que podemos correr en nuestro universo, y en fin, muchos otros misterios que encierra esa cosa tan cotidiana que nos rodea y lo inunda todo haciendo posible que podamos ver por donde vamos, que las plantas vivan y emitan oxígeno o que nos calentemos. Realmente, sin luz, nuestra vida no sería posible. Entonces, ¿qué es realmente la luz?

Muchos (casi todos) opinan que es algo inmaterial. Los objetos materiales grandes o muy pequeños como las galaxias o los electrones, son materia. La luz, sin embargo, se cree que es inmaterial; dos rayos de luz se cruzan sin afectarse el uno al otro. Sin embargo, yo, que desde luego no soy un experto, opino en cambio que la luz es simplemente una forma de energía lumínica, otra forma en la que se puede presentar la materia. Nosotros mismos, en última instancia, somos luz.

Está claro que los estudiosos de la época antigua y medieval estaban por completo a oscuras acerca de la naturaleza de la luz. Especulaban sobre que consistía en partículas emitidas por objetos relucientes o tal vez por el mismo ojo. Establecieron el hecho de que la luz viajaba en línea recta, que se reflejaba en un espejo con un ángulo igual a aquel con el que el rayo choca con el espejo, y que un rayo de luz se inclina (se refracta) cuando pasa del aire al cristal, al agua o a cualquier otra sustancia transparente.

Cuando la luz entra en un cristal o en alguna sustancia transparente, de una forma oblicua (es decir, en un ángulo respecto de la vertical), siempre se refracta en una dirección que forma un ángulo menor respecto de la vertical. La exacta relación entre el ángulo original y el ángulo reflejado fue elaborada por primera vez en 1.621 por el físico neerlandés Willerbrord Snell. No publicó sus hallazgos y el filósofo francés René Descartes descubrió la ley, independientemente, en 1.637.

Los primeros experimentos importantes acerca de la naturaleza de la luz fueron llevados a cabo por Isaac Newton en 1.666, al permitir que un rayo de luz entrase en una habitación oscura a través de una grieta de las persianas, cayendo oblicuamente sobre una cara de un prisma de cristal triangular. El rayo se refracta cuando entra en el cristal y se refracta aún más en la misma dirección cuando sale por una segunda cara del prisma (las dos refracciones en la misma dirección se originan porque los lados del prisma se encuentran en ángulo en vez de en forma paralela, como sería el caso de una lámina ordinaria de cristal).

Newton atrapó el rayo emergente sobre una pantalla blanca para ver el efecto de la refracción reforzada. Descubrió que, en vez de formar una mancha de luz blanca, el rayo se extendía en una gama de colores: rojo, anaranjado, amarillo verde, azul y violeta, en este orden. Newton dedujo de ello que la luz blanca corriente era una mezcla de varias luces que excitaban por separado nuestros ojos para producir las diversas sensaciones de colores. La amplia banda de sus componentes se denominó spectrum (palabra latina que significa espectro o fantasma). Newton llegó a la conclusión de que la luz se componía de diminutas partículas (“corpúsculos”), que viajaban a enormes velocidades. Le surgieron y se planteó algunas inquietantes cuestiones: ¿por qué se refractaban las partículas de luz verde más que las de luz amarilla? ¿Cómo se explicaba que dos rayos de luz se cruzaran sin perturbarse mutuamente, es decir, sin que se produjeran colisiones entre partículas?

En 1.678, el físico neerlandés Christian Huyghens (un científico polifacético que había construido el primer reloj de péndulo y realizado importantes trabajos astronómicos) propuso una teoría opuesta: la de que la luz se componía de minúsculas ondas. Y si sus componentes fueran ondas, no sería difícil explicar las diversas difracciones de los diferentes tipos de luz a través de un medio refractante, siempre y cuando se aceptara que la luz se movía más despacio en ese medio refractante que en el aire. La cantidad de refracción variaría con la longitud de las ondas: cuanto más corta fuese tal longitud, tanto mayor sería la refracción. Ello significaba que la luz violeta (la más sensible a este fenómeno) debía de tener una longitud de onda más corta que la luz azul; ésta, más corta que la verde, y así sucesivamente.

Lo que permitía al ojo distinguir los colores eran esas diferencias entre longitudes de onda. Y como es natural, si la luz estaba integrada por ondas, dos rayos podrían cruzarse sin dificultad alguna (las ondas sonoras y las del agua se cruzan continuamente sin perder sus respectivas identidades).

Pero la teoría de Huyghens sobre las ondas tampoco fue muy satisfactoria. No explicaba por qué se movían en línea recta los rayos luminosos, ni por qué proyectaban sombras recortadas, ni aclaraba por qué las ondas luminosas no podían rodear los obstáculos, del mismo modo que pueden hacerlo las ondas sonoras y de agua. Por añadidura, se objetaba que si la luz consistía en ondas, ¿cómo podía viajar por el vacío, ya que cruzaba el espacio desde el Sol y las estrellas? ¿Cuál era esa mecánica ondulatoria?

Aproximadamente durante un siglo, contendieron entre sí estas teorías. La teoría corpuscular de Newton fue, con mucho, la más popular, en parte porque la respaldó el famoso nombre de su autor. Pero hacia 1.801, un físico y médico inglés, de nombre Thomas Young, llevó a cabo un experimento que arrastró la opinión pública al campo opuesto. Proyectó un fino rayo luminoso sobre una pantalla, haciéndolo pasar antes por dos orificios casi juntos; si la luz estuviera compuesta por partículas, cuando los dos rayos emergieran de ambos orificios, formarían presuntamente en la pantalla una región más luminosa donde se superpusieran, y regiones menos brillantes, donde no se diera tal superposición. La pantalla mostró una serie de bandas luminosas, separadas entre sí por bandas oscuras; pareció incluso que en esos intervalos de sombra, la luz de ambos rayos contribuía a intensificar la oscuridad.

Sería fácil explicarlo mediante la teoría ondulatoria; la banda luminosa representaba el refuerzo prestado por las ondas de un rayo a las ondas del otro, dicho de otra manera, entraban “en fase” dos trenes de ondas, es decir, ambos nodos, al unirse, se fortalecían el uno al otro. Por otra parte, las bandas oscuras representaban puntos en los que las ondas estaban “desfasadas” porque el vientre de una neutralizaba el nodo de la otra. En vez de aunar sus fuerzas, las ondas se interferían mutuamente, reduciendo la energía luminosa neta a las proximidades del punto cero.

Considerando la anchura de las bandas y la distancia entre los dos orificios por lo que surgen ambos rayos, se pudo calcular la longitud de las ondas luminosas, por ejemplo, de la luz roja a la violeta o de los colores intermedios. Las longitudes de onda resultaron ser muy pequeñas. Así, la de la luz roja era de unos 0’000075 cm. Hoy se  expresan las longitudes de las ondas luminosas mediante una unidad muy práctica ideada por Ángstrom; esta unidad, denominada igualmente Ángstrom (Å) en honor a su autor, es la cienmillonésima parte de un centímetro. Así pues, la longitud de onda de la luz roja equivale más o menos a 7.500 Å, y la de la luz violeta a 3.900 Å, mientras que las de colores visibles en el espectro oscilan entre ambas cifras.

La cortedad de estas ondas es muy importante. La razón de que las ondas luminosas se desplacen en línea recta y proyecten sombras recortadas se debe a que todas son incomparablemente más pequeñas que cualquier objeto; pueden contornear un obstáculo sólo si este no es mucho mayor que la longitud de onda. Hasta las bacterias, por ejemplo, tienen un volumen muy superior al de una onda luminosa, y por tanto, la luz puede definir claramente sus contornos bajo el microscopio. Sólo los objetos cuyas dimensiones se asemejan a la longitud de onda luminosa (por ejemplo, los virus y otras partículas subatómicas) son lo suficientemente pequeños como para que puedan ser contorneados por las ondas luminosas.

Un físico francés, Agustín-Jean Fresnel, fue quien demostró por vez primera en 1.818 que si un objeto es lo suficientemente pequeño, la onda luminosa lo contorneará sin dificultad. En tal caso, la luz determina el llamado fenómeno de “difracción”. Por ejemplo, las finísimas líneas paralelas de una “reja de difracción” actúan como una serie de minúsculos obstáculos, que se refuerzan entre sí. Puesto que la magnitud de la difracción va asociada a la longitud de onda, se produce el espectro. A la inversa, se puede calcular la longitud de onda midiendo la difracción de cualquier color o porción del espectro, así como la separación de las marcas sobre el cristal.

Fraunhofer exploró dicha reja de difracción con objeto de averiguar sus finalidades prácticas, progreso que suele olvidarse, pues queda eclipsado por su descubrimiento más famoso, los rayos espectrales. El físico americano Henry Augustus Roland ideó la reja cóncava y desarrolló técnicas para regularlas de acuerdo con 20.000 líneas por pulgada. Ello hizo posible la sustitución del prisma por el espectroscopio.

Ante tales hallazgos experimentales, más el desarrollo metódico y matemático del movimiento ondulatorio, debido a Fresnel, pareció que la teoría ondulatoria de la luz había arraigado definitivamente, desplazando y relegando para siempre a la teoría corpuscular.

No sólo se aceptó la existencia de ondas luminosas, sino que también se midió su longitud con una precisión cada vez mayor. Hacia 1.827, el físico francés Jacques Babinet sugirió que se empleara la longitud de onda luminosa (una cantidad física inalcanzable) como unidad para medir tales longitudes, en vez de las muy diversas unidades ideadas y empleadas por el hombre. Sin embargo, tal sugerencia no se llevó a la práctica hasta 1.880 cuando el físico germano-americano Albert Abraham Michelson inventó un instrumento denominado “interferómetro”, que podía medir las longitudes de ondas luminosas con una exactitud sin precedentes. En 1.893, Michelson midió la onda de la raya roja en el espectro del cadmio y determinó que su longitud era de 1/1.553.164 m.

Pero la incertidumbre reapareció al descubrirse que los elementos estaban compuestos por isótopos diferentes, cada uno de los cuales aportaba una raya cuya longitud de onda difería ligeramente de las restantes. En la década de 1.930 se midieron las rayas del criptón 86. Como quiera que este isótopo fuera gaseoso, se podía abordar con bajas temperaturas, para frenar el movimiento atómico y reducir el consecutivo engrosamiento de la raya.

En 1.960, el Comité Internacional de Pesos y Medidas adoptó la raya del criptón 86 como unidad fundamental de la longitud. Entonces se reestableció la longitud del metro como 1.650.763’73 veces la longitud de onda de dicha raya espectral. Ello aumentó mil veces la precisión de las medidas de longitud. Hasta entonces se había medido el antiguo metro patrón con un margen de error equivalente a una millonésima, mientras que en lo sucesivo se pudo medir la longitud de onda con un margen de error equivalente a una milmillonésima.

emilio silvera

 

  1. 1
    Shalafi
    el 1 de junio del 2009 a las 11:46

    Aprovecho esta entrada de hoy para exponer unas dudas que me asaltaron hace unos días con respecto a la naturaleza de la luz.

    Para empezar, todos sabemos aquello de que la masa en reposo del fotón es nula. Esto debe interpretarse como que el fotón, en realidad, nunca puede estar en reposo, ya que toda su energía se debe a la cinética (al movimiento). Si atendemos a la invarianza de la velocidad máxima del universo, dada por la velocidad de la luz en el vacío c, se me plantea la primera pregunta: ¿qué sucede si aplicamos más energía a un fotón que ya se desplaza a la velocidad c?; todo apunta a que ganaría masa en relación a la ecuación E = mc2, pero según lo que tengo entendido (y lo que he leído específicamente), la masa del fotón es SIEMPRE nula, y no sólo en reposo.

    La segunda pregunta, y que me inquieta aún más, también está referida a la relación masa/energía del fotón. Siempre hablamos de que la velocidad de la luz es c, pero eso sólo es cierto en el vacío. Cuando hacemos pasar la luz por un material translúcido comprobamos que la velocidad varía, ralentizándose. Me pregunta es cómo afecta este efecto a la relación energética del fotón; si pierde energía cinética debe haber equilibrio energético por otro lado. No me refiero a la pérdida por rozamiento con las partículas del material, sino a la energía intrínseca del fotón, que no cumpliría la igualdad E = mc2.

    Espero que mis dudas ayuden a entender el comportamiento de la luz en todos los lectores del blog.

    Un saludo

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  2. 2
    emilio silvera
    el 2 de junio del 2009 a las 8:25

    Buen apunte amigo Juanma.

    Efectivamente, el fotón es una partícula con masa en reposo nula y que consiste en un cuanto de radiación electromagnética. Puede ser considerado como una unidad de energía hf, donde f es la constante de Planck y f es la frecuencia de la radiación en hertzios. Los fotones, como bien apuntas viajan a la velociodad e la luz, c, al no tener masa y, sin embargo, aunque sean más energéticos unos que otros, esta velocidas se mantiene para todos dentro del mismo parámetro. Estamos refiriéndonos a su desplazamiento por el vacío.

    Si tiene más energía, según E=mc2, debería tener masa y, sin embargo, en el fotón no es así, lo cual, como bien apuntas, podría estar violando la igualdad E=mc2 pero, en este punto, yo me inclino a pensar que, la luz, es una forma de materia, un estado especial de esta y, somo deja sentir la masa que transprota su energía cuando por interacción se la transmite a otro cuarpo, como por el ejemplo y electrón que absorbe la energía del fotón energético viajero y le posibilita efectuar el salto cuántico hacia otro nivel dentro del átomo.

    Pero, el fotón como tal, siempre será un cuanto de luz sin masa, sea cual fuere la energía de la que pueda disponer, ya que, así está conformado y esa es su misión en la Universo en el que nos ha tocadso vivir.

    De todas las maneras, de la luz, como bien apuntas en tus dudas, aún no se ha dido la última palabra, es mucho lo que nmos puede decir aún, y, con el tiempo, nos lo dirá y todas tus dudas (que tambi´`en son las mías) nos serán aclaradas para que surjan otros nuevas de más calado.

    Así resulta ser la ciencia. Una puerta se abre y aparecen otras nuevas cerradas con más misterios para resolver.

    Un abrazo.

    Por otra parte, tus dudas ne llevan a pensar en el fonón que, como el fotón es también un cuanto, éste de energía vibracional de la red cristalina pero que también tiene una energía hf y que son por lo tanto analogos a los cuantos de luz, es decir, los fotones. El concepto de fonón es útil en el estudio de la conductividad térmica de los sólidos no metálicos y de la dependencia en la temperatira de la conductividad eléctrica de los metales

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  3. 3
    José Luis
    el 13 de mayo del 2013 a las 17:09

    Estimado Emilio, Siempre he considerado que toda variación de onda obedece a una perturbación temporal debida a una propiedad de la materia y al cambio o gradiente de una función , así las olas del mar corresponderían a una perturbación gravitatorias del sol y la luna sobre la densidad del agua del mar con un gradiente de velocidad, la corriente eléctrica  a la carga eléctrica, la conductividad y un gradiente de voltaje, el flujo de calor es muy similar a lo antes expuesto con un gradiente de temperatura,etc. para mi la luz , así lo imagino, debe ser la variación de algo, lo desconozco, debido a la permeabilidad del espacio, con un gradiente de campo magnético en el mismo, no se , desconozco mucho, pero esto siempre lo he llevado en mi mente, tal ves con ello muera, pero nunca he podido explicármelo de otra manera.
    Saludos desde México 

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  4. 4
    emilio silvera
    el 14 de mayo del 2013 a las 4:35

    A medida que leo tus palabras escritas, me viene a la mente ese fenómeno que llamamos onda de choque, esa frontera abrupta entre regiones de fluido (gas, líquidos, etc.), que viajan a velocidades relativas mayores que la velocidad local del sonido, como por ejemplo, ocurre con el viento solar cuando se encuentra con nuestro planeta, o con un cometa o con cualquier otro cuerpo. Es similar a la onda que se forma en la proa de un barco. También el avión que viaja más rápido que el sonido genera esa onda de choque y una estela cuyo paso puede ser escuchado como una explosión sónica. Una situación similar ocurre en el espacio cuando el gas fluyendo se encuentra con un fluido u obtáculo sólido a velocidades supersónicas. Un viento veloz procedente de una estrella joven que se encuentra con densas condensaciones  de gas de la nebulosa que la creó, forma ondas de choque a su alrededor y de ahí, las formas arabescas que se modulan en esas inmensas masas nebulosas.
    Cuando hablas de la permeabilidad del espacio se me aparecen ante los ojos de mi mente, las ondas gravitacionales, es decir, “veo” el movimiento en forma de onda en un campo gravitacional, producido cuando una masa es acelerada o perturbada. Esas ondas viajan a través del espacio “vacío” a la velocidad de la luz, y su amplitud es proporcional al ritmo de la aceleración del cuerpo que lo produce.
    Y, como bien dices, cuando una onda (sea del tipo que pudiera ser) varia, alguna perturbación debe estar presente, dado que nada cambia porque sí, siempre hay un motivo para todo y todo tiene un motivo del que se deriva el comportamiento observado. En cuanto a las olas del mar, el causante de esa perturbación, por lo general es el viento que marca la pauta y gradúa la intensidad del oleaje, la gravedad del Sol y la Luna, es la responsable de las mareas que, en realidad, es otra cosa distinta.
    La luz, amigo José Luis, es la radiación electromagnética que se deja ver por el ojo humano (las otras no se dejan ver y tenemos que recurrir a ingenios telescópicos para poder contemplar las ondas de rayos X, ultravioletas y gamma), las distintas longitudes de ondas aparecen en diferentes colores. La radiación visible es una longitiud de onda larga. Todas esas radiaciones son producidas por la materia en relación a su estado en cada momento y lugar, mira como radia el plasma de la estrella que está, continuamente fusionando hidrógeno en helio. De la misma manera, producen radiaciones otros objetos estelares como estrellas de neutrones, púlsares y agujeros negros que emiten radiación de distintos tipos y también ondas gravitacionales según en que circunstancia.
    Un saludo cordial.
     

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