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Debate histórico acerca de la naturaleza de la luz
Apuntes, experimentos y otros materiales para el estudio de la naturaleza y el comportamiento de la luz
Manuel Alonso Sánchez (IES “Leonardo da Vinci” de Alicante)
Presentación del trabajo• Generaciones de estudiantes de Física y Química del IES
“Leonardo da Vinci” de Alicante han contribuido durante varios años a la elaboración de tema: “Debate histórico acerca de la naturaleza de la Luz”
• En 2014-15, año internacional de la luz, los alumn@s de 4º ESO han realizado trabajos monográficos sobre la luz, y los alumn@s de Bachillerato han diseñado y realizado en el laboratorio experimentos variados sobre la luz.
• Después de recoger estas aportaciones, este trabajo incluye un conjunto amplio de materiales para la enseñanza y la divulgación de este tema.
Generación y propagación de la luz
La luz es energía que se genera en una fuente y se propaga en todas las direcciones.
Fuentes de luz
La luz no se ve. Se ven los puntos luminosos que representan a las fuentes (primarias o secundarias).
Experimentos
Antecedentes al debate en la antigüedad
En el siglo VI a. de C. Pitágoras planteó que la luz emanaba del ojo mediante rayos formados por partículas que viajan en línea recta y chocan con el cuerpo observado, siendo el acto visual el resultado de ese choque. Un siglo después Platón también supuso que nuestros ojos emitían partículas de luz que al llegar a los objetos los hacen visibles.
Posteriormente los atomistas también adoptaron una concepción corpuscular de la luz. Demócrito planteó que los cuerpos emitían átomos de distintas formas y tamaños y supuso que esos átomos portaban aspectos de la imagen de los cuerpos.
En el siglo IV a. de C. Aristóteles hizo la primera propuesta que se puede considerar como precedente de los modelos ondulatorios: Podíamos observar los objetos, no porque hubiera movimiento o emisión en ninguno de los dos sentidos, sino mediante una modificación del medio interpuesto entre el ojo y la cosa vista. Aristóteles añadió que si alrededor del ojo se hiciese el vacío completo la visión sería imposible.
Formulación expresa de los dos modelos (s. XVII)
Newton afirmó que la luz estaba formada por una granizada de corpúsculos, que se propagan en línea recta y atraviesan medios transparentes. Con este modelo corpuscular explicó varias propiedades de la luz, prestando una atención especial al estudio del color.
En la misma época, Huygens consideró que la luz era una onda mecánica semejante al sonido. Según este modelo ondulatorio la luz necesitaba un medio para propagarse e imaginó que ese medio era el éter, que inundaba el espacio y se deformaba al paso de la onda luminosa.
Newton frente a Huygens Experimentos sobre refracción de la luz
El modelo de Huygens explica hechos que eran difíciles de explicar con el modelo de Newton. Por ejemplo, la doble refracción aire-vidrio-aire, donde la luz se desvía al pasar del aire al vidrio y recupera la dirección inicial al volver al aire.
Difracción e interferencias luminosas (s. XIX)
Experimento de las dos rendijas
En el siglo XIX se desarrolló con éxito el modelo ondulatorio. Young explicó casi todos los fenómenos conocidos sobre la luz suponiendo que era una onda longitudinal. En 1801 realizó un experimento histórico (llamado de las dos rendijas) con el que mostró conjuntamente la difracción y las interferencias luminosas
Poco después Fresnel aportó un importante trabajo sobre la difracción de la luz. A raíz del mismo se descubrió el punto de Arago o punto de Poisson: Un punto brillante en que se forma detrás de un disco circular opaco (en la región de sombra) cuando el disco se ilumina con luz monocromática .
Trabajos de Young y de Fresnel
Dispersión lumínica y modelo ondulatorio (s. XIX)
Otra propiedad que se explicó de forma satisfactoria con el modelo ondulatorio es la dispersión, que se produce cuando la luz blanca procedente del aire se refracta hacia un medio transparente y se descompone en una gama continua de colores (del rojo al azul-violeta)
Young explicó este proceso planteando que la vibración que corresponde a cada color de la luz tiene una longitud de onda (y una frecuencia) diferente o característica en cada medio.
Dispersión de la luz y explicación de fenómenos cotidianos: arco iris, halos, colores en un CD, etc.
Percepción de los colores y modelo ondulatorio (s. XIX)
Young cuestionó la interpretación de Newton: Como la gama de colores del espectro visible es continua tendría que haber un número casi ilimitado de partículas de luz diferentes, y dentro de nuestros ojos también tendríamos que poseer un número extraordinariamente elevado de receptores de distintos tipos (uno para cada color )
Planteó que cuando varias ondas luminosas de colores diferentes (diferentes longitudes de onda) viajan juntas, se perciben como luz de un color (una longitud de onda), que resulta de la composición de esas luces. Comprobó que todos los colores se pueden obtener combinando tres luces básicas: verde, roja y azul intensa. Así, en nuestros ojos, solamente era necesario tener receptores de tres tipos para distinguir todos los colores.
Percepción de los colores Experimentos
El modelo ondulatorio también interpretó la polarización de la luz. Además, las investigaciones sobre este fenómeno ayudaron a precisar que las ondas luminosas tienen que ser ondas transversales y no longitudinales como se venía considerando.
Polarización de la luz y modelo ondulatorio (s. XIX)
Experimentos
La polarización de la luz y el modelo ondulatorio
Amortiguación y absorción de luz (s. XIX)
El modelo ondulatorio también previó que a medida que nos alejamos de la fuente emisora de luz se ha de producir un decaimiento de su intensidad por dos causas: El reparto de la energía de la vibración en frentes de onda esféricos cada vez mayores (amortiguación) y el traslado de parte de la energía al medio (absorción)
La amortiguación, la absorción de la luz, y el modelo ondulatorio
Experimentos
Efecto Doppler en la luz (s. XIX)
Este efecto fue propuesto por Cristian Doppler en 1842. Es una propiedad de las ondas causada por el movimiento relativo entre la fuente que las emite y el receptor. Supone una variación de la frecuencia y de la longitud de onda (l) recibidas respecto de la frecuencia y la longitud de onda emitidas por la fuente.
El espectro de luz visible por el ojo humano abarca una gama continua de colores desde el extremo rojo hasta el violeta. En consecuencia, si, por ejemplo, una fuente que se está moviendo hacia la derecha, emite luz de color verde, el color de la luz que se recibe a la izquierda de ella se desplaza, por efecto Doppler, hacia el rojo (longitud de onda mayor) y el color de la luz que se recibe a la derecha de dicha fuente se desplaza hacia el azul (longitud de onda menor)
El efecto Doppler en la luz
Ondas electromagnéticas (Final del s. XIX)
Los avances producidos en el desarrollo del modelo ondulatorio de la luz, tuvieron una brillante rúbrica al final del s. XIX. En 1873 Maxwell integró los fenómenos ópticos, eléctricos y magnéticos en un mismo marco teórico y concibió las ondas electromagnéticas (oem). Años después, las oem fueron producidas y detectadas por Hertz, lo que abrió el campo a la transmisión de señales a distancia y en el vacío (telegrafía sin hilos, radio, TV, radar) .
El descubrimiento de las oem trajo avances espectaculares a la investigación científica y tecnológica. La apertura de las ventanas infrarroja, rayos X y ultravioleta, permitió acceder a muchos fenómenos que hasta entonces habían sido "invisibles“ y fomentó aplicaciones de gran calado en industria, comunicaciones, medicina, astronomía,…
Ondas electromagnéticas
La luz y la expansión del Universo (s. XX)
La luz procedente otras galaxias que se recibe en observatorios astronómicos tiene frecuencia menor (longitud de onda mayor) que la emitida. En 1929 Hubble afirmó que esto se debe al efecto Doppler y lo interpretó como una evidencia de que todas las galaxias se están alejando de nosotros.
Hubble también comprobó que la velocidad de alejamiento de las galaxias es mayor cuanto más distantes están de nosotros, lo que resulta coherente con la concepción de un Universo en expansión. Dos años antes Lamaitre había llegado a la misma conclusión
Luz y expansión del Universo
Naturaleza dual de la luz (s. XX) La teoría electromagnética de Maxwell pareció que iba a cerrar el debate sobre la naturaleza de la luz. Pero, cuando Hertz produjo y recibió por primera vez las oem, se observó un fenómeno, llamado efecto fotoeléctrico, para cuya explicación se volvió a plantear un modelo corpuscular con la hipótesis de Einstein-Planck. Según esta hipótesis la luz está formada por “cuantos de energía”, a los que más tarde se llamó fotones.
En 1924 se produjo un avance decisivo que permitió una integración de las dos teorías. De Broglie planteó que el doble aspecto corpuscular y ondulatorio de la luz debería reflejar una ley general de la naturaleza aplicable a todas las partículas. La entonces incipiente Física Cuántica generalizó poco después esta hipótesis a toda entidad.
En 1927 Davidsson y Germer realizaron el experimento pionero que mostró la difracción de electrones, y en 1959 Jönsson realizó también con electrones un experimento similar al experimento de Young de la doble rendija.
Hoy el concepto de dualidad onda-corpúsculo es una ley general de la Física que se aplica sin excepción: A electrones, neutrones, protones,.., y también, desde luego, a los fotones
Fotones Naturaleza dual de la luz
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Experimentos Noticias
La dualidad onda-corpúsculo cumple el principio de complementariedad que formuló Bohr. Ello implica que ningún experimento puede mostrar a un fotón manifestando simultáneamente ambos comportamientos.
Este principio es una fuente inspiradora de fructífera investigación actual. En el tema se pueden consultar detalles sobre algunos experimentos: Uno (2007), donde la luz se comportó como onda o como partícula dependiendo de la actuación del observador sobre el dispositivo experimental. Otro (2012), donde se entrelazaron dos fotones y se alternó en uno de ellos el método de medida (como onda o partícula) para explorar en el otro la continua mutación entre su comportamiento dual.
Y otro aún más reciente (publicado en abril de 2015), en el que se ha podido observar en una misma "fotografía" (imagen adjunta) a la luz comportándose como onda y como partícula (diferentes fotones)
Investigaciones actuales sobre el comportamiento dual de la luz
Así, este recorrido por “Debate histórico sobre la naturaleza de la luz”, termina señalando que, después de tantos años de controversia entre el modelo ondulatorio y el modelo corpuscular, estos experimentos actuales ponen el énfasis en “observar” simultáneamente ambos comportamientos.
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