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Naturaleza de la luz



Poco tiempo después de que nos cortaron el cordón umbilical abrimos los ojos y tuvimos contacto con la luz, no transcurrió mucho tiempo y ya sabíamos que era sin lugar a dudas, "La luz es algo que nos permite ver". Exacto, y con esa definición tenemos suficiente para la mayoría de  nuestras necesidades.... pero la naturaleza extremadamente curiosa de  los hombres hizo que no quedara ahí , había que saber que era ese "algo".

Para comenzar

Nosotros estamos acostumbrados a encontrar una explicación de las cosas desde el macro-mundo que nos rodea, será fácil entender si algo lo podemos ver, tocar, oler o sentir aunque sea de manera indirecta o a través del razonamiento dentro de ese macro-mundo. Así cuando a alguien se le habla de una onda, enseguida recuerda la clásica formación de estas cuando se tira un objeto al agua, o cuando se dice, partículas, rápidamente piensa,... bueno,  el polvo, lo mismo si se dice masa o velocidad etc.

Para la explicación de la naturaleza de la luz tenemos que ir al micro-mundo, que es aquel mundo donde ni los mas potentes microscópicos pueden husmear ni los mas sensibles aparatos pueden detectar absolutamente nada, este mundo está inmerso en la enmarañada esencia misma de la materia. Allí, los conceptos clásicos de masa, tiempo, velocidad y energía que para nosotros son bien definidos e independientes se confunden en una compleja inter-relación en muchas ocasiones difíciles de trasladar al macro-mundo para comprender.

Teniendo en cuenta que solo resulta comprensible por todo el mundo las cosas palpables en el macro-mundo, los hombres dieron, desde tiempo inmemorial ciertas explicaciones de la naturaleza de la luz desde estas posiciones, pero los hechos fueron poco a poco haciendo a los hombres de ciencia ir cada vez mas adentro, mas al micro-mundo para poder explicar el fenómeno de la luz. Este proceso ha hecho cada vez mas incomprensible la explicación y ha estado rodeado de mas de una suposición en cierto modo dogmática. Aun hoy en día se puede afirmar que en realidad todavía nadie ha dado un explicación que convenza a todos.

La luz

Como no podemos "palpar" de qué está compuesta la luz, tenemos que atenernos a determinar su naturaleza partiendo de como se comporta en el macro-mundo y relacionarla entonces con algo que conozcamos.

La primera teoría

Como era de esperarse, las primeras teorías científicas modernas acerca de la naturaleza de la luz la describen como algo trasladable muy fácilmente al macro-mundo; "La luz es un haz de partículas extremadamente ligeras y enormemente pequeñas que se mueven en linea recta a una velocidad infinita". Luego se determinó que la luz se movía muy rápido pero a velocidades finitas*, por lo que la definición cambió lo de "velocidad infinita" por "gran velocidad", pero la esencia de la definición se mantenía en pie. Parecía razonable, muy intuitivo y servía para explicar el comportamiento de la luz en cuanto a su reflexión y propagación rectilínea.
  • La propagación rectilínea; por las leyes de la inercia de las partículas que dicen, que si un cuerpo que se mueve no es perturbado por fuerza lateral se moverá en linea recta.
  • La reflexión (como la del espejo); porque se consideraba a las partículas de la luz como perfectamente elásticas y rebotaban de la superficie a la misma velocidad con que chocaban.
* Un recuento de los experimentos realizado para determinar la velocidad de la luz aquí.

Pero no podía explicar de manera convincente el fenómeno de la refracción, que consiste en el cambio de dirección de la luz cuando pasa de un medio de propagación a otro, cosa que no hacen las partículas. Aunque hubo intentos mas o menos razonables de hacerlo. La teoría corpuscular como se le llama, estaba coja.

Un experimento dio un duro golpe a la teoría corpuscular; si se practican dos agujeros muy finos en una placa negra y se alumbran desde un foco luminosos lejano, la imagen proyectada en una superficie colocada muy cerca de los agujeros del otro lado de la placa muestra un patrón de zonas iluminadas y sombras que no pueden explicarse desde la teoría corpuscular. Si son partículas, la imagen debe ser la suma de los efectos de las partículas que cruzan los agujeros y nunca puede haber zonas de sombra. Este hecho dio fuerza a la teoría que también se desarrollaba por aquella época de que la luz era una onda.

La otra teoría

Casi simultáneamente a la teoría corpuscular se desarrollaba la teoría de que la luz tenía naturaleza de onda, esto también trasladaba la explicación al macro-mundo. Para aquella época se conocía bien el comportamiento de las ondas mecánicas y los fenómenos de reflexión, refracción y propagación rectilínea eran explicables con esta naturaleza. Además explicaba lo de las zonas sombreadas en el experimento de los agujeros, ya que cuando la cresta de una onda coincide con el valle de la otra se auto compensan y desaparece la onda. Pero... había un problema, las ondas mecánicas necesitan un medio para propagarse y la luz lo hacía en el vacío, este se resolvió de manera "oscura" suponiendo que todo el universo estaba ocupado por un ente impalpable que se llamó éter. Este éter nunca fue detectado ni identificado fuera de la definición, por lo que aunque la teoría ondulatoria como se le llama, resolvió unos problemas creó otros que no eran muy convincentes.



Se vuelve atrás

Mas adelante, efectos como el efecto fotoeléctrico, la interacción de la luz con las superficies negras a las cuales daba cierto leve empuje, la ionización de los gases por la luz y otros, solo podían explicarse si en la luz hay partículas con masa; se retoma la teoría corpuscular y la rivalidad entre ambas continua. Definitivamente la luz era algo que se comportaba como partículas en su interacción con la materia y como onda durante la propagación, comienza a notarse que para la explicación de la naturaleza de la luz, las cosas del macro-mundo no son suficientes, hay algo en la luz que la hace especial.

El electromagnetismo

Cuando la rivalidad entre la teoría corpuscular y la ondulatoria estaba en pleno auge, se realizaban experimentos puramente eléctricos relacionados con el electromagnetismo. El resultado de ellos arrojaba que el electromagnetismo tenía comportamiento ondulatorio, ya que cuando se creaba un campo magnético con corriente eléctrica variable en un material ferromagnético el efecto se propagaba a los alrededores con un comportamiento que cumplía las leyes del movimiento de las ondas y por tal motivo se llamaron ondas electromagnéticas. Estas ondas electromagnéticas se propagaban perfectamente en el vacío y tenían además todas las características de la luz a excepción de una longitud de onda mucho mayor. Mas tarde se demostraba que la luz  es una onda electromagnética mas, ubicada en una zona del espectro muy estrecha pero que ese espectro se extendía mucho mas a ambos lados del correspondiente a la luz.

Con estos experimentos se aportaba una nueva prueba de que la luz era una onda y hacía desaparecer la "oscuridad" del éter. Pero era una onda diferente a la mecánica, no necesita medio para propagarse, aumentaba el misterio sobre ella.

Otros trabajos

Por aquella sazón transcurrían los primeros años del siglo XX y el estudio de los componentes sub-atómicos que se realizaban, mostraban resultados en los cuales se ponía en duda la naturaleza puramente de corpúsculos que se les atribuía hasta ese momento a dichos componentes. Trabajos acerca del comportamiento de haces de electrones acelerados demostraron que en su trayectoria mostraban un típico patrón de interferencia cuando se dispersaban, como el del experimento con los agujeros, este fenómeno era típicamente ondulatorio. ¿son ondas o partículas?. Se volvía a lo mismo, en el micro-mundo las cosas son diferentes. Hay que agregar nuevos ingredientes a esta madeja.

Uniendo los cabos



No cabía duda, había que considerar a la luz desde dos puntos de vista, cuando se propaga; como onda, y cuando interactúa con la materia; partícula. Esta situación ponía a los hombres de ciencia en una posición incómoda, su comportamiento era incomprensible mirado desde el macro-mundo, no obstante se había avanzado mucho. Se tenía que terminar el trabajo.

Tratando de buscar una explicación a este fenómeno de dualidad en el micro-mundo surge la idea (presentada aquí muy simplificada) y un tanto descabellada para la época, pero que a la postre sirvió para explicar el fenómeno de que :

"La materia puede manifestarse tanto como masa (partícula) o como energía (onda) para un observador, en dependencia de la velocidad relativa entre ellos."

Este concepto un tanto abstracto da pie a la aparición de la definición de fotón en clara alusión a las partículas sub-atómicas, considerándose este fotón como un paquete muy pequeño de materia que sale del punto luminoso a tal velocidad que toda su naturaleza es energética con respecto a un observador en reposo y su comportamiento será de naturaleza ondulatoria tal y como lo hacen las ondas electromagnéticas, pero cuando este fotón choca con un cuerpo, lo hará con alguna de sus partículas componentes, por ejemplo un electrón, teniendo en cuenta que estos electrones se mueven a velocidades comparables con la de la luz, el resultado del choque puede cambiar la manifestación de la materia de ambos a parcialmente masa y parcialmente energía.  Sugiriendo entonces que la luz puede comportarse como partícula al interactuar.

Dependiendo de la magnitud del paquete de materia (fotón) la luz tendrá durante su propagación ondulatoria, una longitud de onda determinada y en ocasiones la potencia necesaria para producir cambios estructurales de la materia en reposo. De esta forma a cada color del espectro le corresponde una longitud de onda y una cantidad de energía de los fotones correspondientes por lo que solo ciertas longitudes de ondas (dada su cantidad de energía) pueden por ejemplo ionizar un gas o producir el efecto fotoeléctrico en alguna sustancia.

De este razonamiento se desprende entoces que la máxima velocidad que puede existir en la materia es la velocidad de la luz (toda la materia es energía) de modo que en este caso las velocidades dejan de comportarse como en la mecánica clásica, es decir no se suman esto es:

"La velocidad de la luz en el vacío con respecto a un observador en reposo siempre será la misma independientemente de que el foco emisor se mueva o no con respecto al observador."

En la actualidad

La luz es, de acuerdo a la visión actual,  una oscilación electromagnética, que se propaga en el vacío o en un medio transparente, 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 diez millonésima de milímetro). Esta oscilación electromagnética viaja a velocidades ligeramente diferentes según el medio siendo aceptado el valor de 300,000 kilómetros por segundo en el vacío.

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