HISTORIA DE LAS IDEAS SOBRE LA LUZ:

Antes de iniciar el estudio de este proyecto contesta esta pregunta: ¿Qué es la luz?

LA NATURALEZA DE LA LUZ:

Si miramos el desarrollo que encierran los instrumentos ópticos de alta tecnología; la precisión con que realizan microcirugía, vemos como la humanidad en su proceso histórico ha recorrido un gran trecho desde la domesticación del fuego hasta nuestros dias.

El ser humano inicialmente se pregunto: ¿por  que se ven los objetos que nos rodean? Algunos filósofos griegos contestaron que la percepción de los objetos con los ojos era análoga, hasta cierto punto, ala percepción por medio del tacto. Estos filósofos opinaban que de los ojos salía una especie de tentáculos invisibles que se dirigieran al objeto que miraban. Pero en la misma Grecia antigua se expreso también la opinión de que la luz procede de los cuerpos. Los cuerpos fueron divididos en dos grandes clases: los que emiten luz propia llamados fuentes de luz y los que la reflejan llamados reflectores.

En la antigua Grecia fueron estudiadas las sombras producidas por los cuerpos opacos, y se llego a concluir que la luz se propaga en línea recta. Al analizar los rayos luminosos que pasan a através de un orificio pequeño de una cámara oscura, destacaron otra propiedad importante de la luz: que los rayos se propague sin depender de los demás. El principal adelanto técnico griego, relativo a la óptica, se debió a Arquímedes, quien se desempeña como asesor militar del ejército griego. Cuando la ciudad de Siracusa en Sicilia, fue sitiada durante mas de tres años por las naves romanas, Arquímedes, entre otros inventos ingeniosos, utilizo espejos cóncavos para concentrar los rayos solares en los barcos con el fin de quemarlos.

OPTICA MEDIAVAL:

Los aportes a la óptica medieval fueron hechos por los pueblos orientales, en el campo de la medicina. El tratamiento quirúrgico de los males oculares produjo un renovado interés por su estructura. Este conocimiento dio a los árabes la primera compresión de la dióptrica, en el nuevo sentido de estudiar el paso de la luz a através de materiales transparentes; esto llevo a la creación de la óptica moderna. El cristalino del ojo indico el modo de utilizar lentes de cristal para amplificar y leer especialmente. La lente fue el prototipo de los telescopios, microscopios, camaras fotográficas y demás instrumentos ópticos.

El empleo de los espejuelos dio un gran impulso al estudio de la óptica. Grosseteste, Roger Bacon y Dietrich de Friburgo hicieron contribuciones científicas al explicar la acción de las lentes al concentrar los rayos luminosos como al ampliar los objetos. La mayor demanda de espejuelos hizo surgir el arte de la talla de lentes y la fabricación de gafas. Fue uno de estos artesanos, lippershey, quien invento el telescopio en 1608, combinando en forma casual las lentes en su tallar. La deficiencia practica del telescopio, la aberración cromática y el perfeccionamiento de su funcionamiento fueron los causantes del nuevo impulso de la óptica. El holandés Shell (1591-1626) descubrió la ley de la  refracción, de la cual se apropia después descartes para explicarla función de partícula de  luz en movimiento que necesitaban según su teoría, viajar con mayor velocidad en el cuerpo refractivo que en el aire (conclusión incorrecta que produjo después mucha confusión). Con la ley de Shell, la óptica se convirtió en parte de la geometría y en principio se hizo posible la construcción de telescopio perfecto.

Sin embargo los telescopios en uso, seguían siendo imperfectos; la luz al pasar por las lentes se refractaba de diferentes formas; siendo  la luz roja la menos refractada y la luz azul la mas refractada.

La solución a este problema del color fue encontrada por newton quien trato de eludir la dificultad de las imágenes con color. Construyo el primer telescopio de reflexión. Pero se dedico a estudiar la refracción de los prismas retomando los estudios de descartes.

Newton en sus estudios de óptica considero otros tipos de colores distintos a los del arco iris, especialmente los que se producen por reflexión en capas delgadas, como los de aceite en agua. Así encontró el primer indicio de discontinuidad tanto en la materia como en la luz. Esta visión filosófica sobre la constitución atómica de la materia, lo hizo seguir a descartes considerando atómica a la luz y a sus rayos como trayectoria de partículas que se reflejan igual que una bala al rebotar en un muro.

Otros fenómenos que producen colores llevaron a una condición diferente. Grimaldi (1618-1663) había estudiado antes de newton los colores que se producen en los bordes de las sombras, particularmente en orificios diminutos, y en objetos muy delgados como los cabellos. También encontró que los rayos de luz completamente rectilíneos, sino que desvían o difractan l pasar cerca de un objeto. Grimaldi considero que estos fenómenos son ondulatorios, como las ondas que se forman en el agua o las vibraciones del sonido y atribuyo a los diferentes colores distintas longitudes de onda como las notas musicales.

Huygens desarrollo matemáticamente esta idea y demostró que la teoría ondulatoria de la luz puede explicar la difracción y los colores de las placas delgadas.

Pero debido a la gran autoridad que newton tenia, la teoría ondulatoria quedo relegada y tuvo que esperar más de un siglo para ser rehabilitada.

TEORIA ONDULATORIA Y CORPUSCULAR:           

Los estudios de la óptica en el siglo XVII habían llegado hasta el punto donde los dejo Isaac newton, quien se había pronunciado en favor de la teoría corpuscular sobre la luz fue retomada por el investigador británico Thomas young quien en 1801 demostró en forma experimental con el famoso experimento que lleva su nombre el fenómeno de interferencia cuando la luz pasa por dos orificios separados por una muy pequeña distancia.

Nuevamente de esta forma el mundo científico valora la importancia de los estudios de Huygens y admite de hecho el carácter ondulatorio de la luz. Esta teoría admitida en la primera mitad del siglo XIX explica las oscilaciones luminosas como vibraciones elásticas de un medio continuo constituido por el éter universal.

La hipótesis corpuscular desarrollada por newton resulta de fácil comprensión; la luz esta constituida por pequeños cuerpos o “corpúsculos”, de distintos tamaños según su color, que se propagan según las leyes de la mecánica.

La hipótesis ondulatoria de la luz presentaba más dificultades, ya que, como acabamos de estudiar en el sonido, necesitaba la existencia de un medio a través del cual propagarse.

Ambos científicos- newton y Huygens-contaban con pruebas a favor y en contra de sus teorías; pero veamos como Einstein expone dichos argumentos en forma de supuesto dialogo entre los dos:

Newton:-en la teoría corpuscular, la velocidad de la luz tiene un significado concreto. Es la velocidad con que se propagan los corpúsculos en el vacío. ¿Cual es la interpretación de dicha velocidad en la teoría ondulatoria?

Huygens:-significa, naturalmente, la velocidad de la onda luminosa. Toda onda conocida se propaga con una determinada velocidad y lo mismo sucede en le onda luminosa.

Newton:-esto no es tan simple como parece. Las ondas sonoras se propagan en el aire, las oceánicas en el agua. Toda onda requiere un medio material a através del cual   propagarse. Pero la luz atraviesa el vacío  en el cual el sonido no se propaga. Admitir una onda en el vacío es realmente no admitir onda alguna.

Huygens:-si, esto es una dificultad, aunque no nueva para mi. Mi maestro pensó detenidamente este asunto y decidió que la única salida es admitir la existencia de una sustancia-el éter-el que es un medio trasparente y oblicuo. El universo esta, por decirlo así, sumergido en el éter. Si nos decidimos por la introducción de este concepto todo resultara claro y conveniente.

Newton:-pero yo objeto semejante suposición. En primer termino, introduce  una nueva sustancia hipotética, y ya tenemos demasiadas de esas sustancias en la física.

Hay además una segunda razón para oponerse a tal hipótesis. Es in dudable que también cree que debemos explicar todos los fenómenos en términos mecánicos. Pero, ¿Qué me dice del éter? ¿Puede contestar usted la sencilla cuestión de cómo esta constituido de partículas elementales el éter como se comporta en otros fenómenos?        

Huygens:-la primera objeción esta por cierto justificada..Pero por la introducción de esta materia artificial e imponderable-el éter-nos libramos en el acto de los muchos más artificiales corpúsculos luminosos. Tenemos aquí solo una sustancia “luminosa” en lugar de un número infinito de ellas, correspondientes a otros tantos colores del espectro. ¿ no piensa usted que esto constituye un progreso real? Por lo menos todas las dificultades se concentran en un solo punto. No necesitamos ya la suposición artificiosa de que las partículas se propagan todas con la misma velocidad en el vacío. No podemos dar una interpretación mecánica del éter. Pero no hay duda que se investigaciones futuras de la óptica y tal, vez de otros fenómenos revelara su estructura. Por el momento tenemos que esperar nuevos experimentos y conclusiones. Pero tengo la esperanza de que finalmente seamos capaces de establecer el problema de la estructura mecánica del éter.

Newton:-dejemos este asunto para otro momento, ya que no podemos resolverlo ahora. Me gustaría saber como explica su teoría, dejando de lado las anteriores dificultades, los fenómenos que nos aparecen claros e inteligibles a la luz de la teoría corpuscular. Tomemos, por ejemplo, el hecho de la propagación rectilínea de los rayos luminosos en el vacío. Un trozo de papel colocado frente a una lámpara, produce una sombra bien delimitada. No seria posible la formación de sombras nítidas, si la teoría fuera correcta por que las ondas bordearían los extremos de la pantalla y, en consecuencia, aquellas aparecerían esfumadas. Una pequeña embarcación, como usted sabe, no es un obstáculo insalvable para las olas del mar, ya que ellas lo rodean y continúan del otro lado de ella.

Huygens:-esto no es un argumento decisivo en contra. Supongamos que ondas cortas de un río incidan sobre el costado d un barco grande; se observa que no pasan al otro lado de aquel. Si las ondas son bastante pequeñas y el buque bastante grande, s puede decir, parangonando, que también en este caso se producen sombras nítidas. Es muy probable que la luz parezca propagarse en línea recta, únicamente por que su longitud de onda es muy pequeña en comparación con el tamaño de los obstáculos comunes y de las aberturas usadas en los experimentos. Pero si fuera posible idear obstáculos bastante pequeños, es probable que no se produjeran sombras nítidas. Comprendemos que la construcción de tales aparatos que prueben que la luz tiene la propiedad de doblarse, pueda, experimentalmente, ser muy difícil.

Newton:-

Sin embargo, si se puede realizar, ello constituiría un experimento crucial para decidir entre la teoría ondulatoria y la teoría corpuscular de la luz.

Newton:- la teoría ondulatoria puede conducir al descubrimiento de nuevos hechos en el futuro, pero no conozco ningún dato experimental que la confirme. Mientras no se pruebe experimentalmente que la luz puede contornear un obstáculo, no veo ninguna razón para no creer en la teoría corpuscular, que me parece mas simple, y por tanto, mejor que la teoría ondulatoria.

Después se demostró que las ondas luminosas son ondas electromagnéticas. Este jugo un  importante papel en el desarrollo de toda la física a finales del siglo XIX. No obstante, el gran  adelanto que produjo la nueva teoría sobre la luz, las investigaciones de la época demostraron que al variar la longitud de las ondas, se producen cambios cualitativos en las propiedades de la luz. Los estudios realizados sobre la distribución de energía en el espectro del cuerpo negro y sobre el efecto foto eléctrico pusieron de manifiesto que las radiaciones de pequeña longitud de onda (rayos de la luz visible) tienen propiedades que sobrepasan el marco d la física clásica. En 1900, planck lanzo la hipótesis de que la luz es emitida en proporciones discretas y Einstein demostró en 1905 como la absorción de la luz en el efecto fotoeléctrico también se realiza en forma discreta. De esta forma quedo establecido  que el flujo luminoso tiene forma discontinua. Esta situación condujo a retomar de nuevo la idea de los corpúsculos luminosos de Isaac newton, los cuales recibieron el nombre de fotones. Cada foton posee una energía determinada y una determinada cantidad de la misma. Esta energía depende de la frecuencia de la onda. En las emisiones de baja frecuencia la energía de los fotones es tan  pequeña que es muy difícil descubrir su carácter discontinuo y solo se manifiestan propiedades ondulatorias. En la luz visible la energía de los fotones es mayor y sus rayos presentan simultáneamente propiedades ondulatorias y corpusculares. De esta forma se llego a considerar el carácter dual de la luz al tener tanto propiedades ondulatorias como corpusculares. El desarrollo posterior de la física demostró que esta dualidad de la naturaleza de la luz no es solo inherente a esta, sino que es característico de cualquier flujo de partículas elementales como electrones.