Luz I. Fisica. FÍS.

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Física

A pesar de ser la l. el ente de la Naturaleza que más ha contribuido al desarrollo de la Física y de ser, además, la mayor fuente de información que podemos recibir del mundo exterior, no se ha logrado aún una explicación totalmente satisfactoria acerca de su naturaleza, lo cual no quiere decir que no se sepa nada sobre ella, pues se conoce, y bastante bien, cómo se comporta en su propagación, cómo es emitida por ciertos cuerpos, de qué forma interacciona con la materia e incluso con otros haces luminosos. Las leyes de Descartes, principio de Huygens, franjas de Young, efecto fotoeléctrico, etc., son ya familiares a los jóvenes estudiantes. Pero ¿qué es la l.? ¿Está formada por corpúsculos materiales semejantes a diminutas bolas de billar? ¿Está constituida por ondas como las olas del mar? ¿Se trata de variaciones de un campo electromagnético como las ondas de radio? Todas éstas y algunas más han sido las sucesivas explicaciones dadas en el transcurso de la Historia.

En la época de Euclides (s. III a. C.) se conocía ya el hecho de la propagación rectilínea de la l., la ley de la reflexión (v.) y el fenómeno de la refracción, pero se cometía un error básico: se pensaba que la l. era un efluvio que partiendo de los ojos palpaba los cuerpos como lo hacían unos tentáculos y que entonces se producía la visión de los objetos palpados. Que esto no puede ser cierto lo atestigua el hecho de que en una habitación cerrada no se logra ver nada. Si aquella hipótesis fuese cierta, llegaría l. a los cuerpos y se tendría visión. Estas consideraciones permiten dar una definición fenomenológica de la l. Puede decirse que es un ente físico que es emitido por ciertos cuerpos y que después de ser modificado de algún modo por la materia (fig. 1) llega a la retina del ojo (v.), produciendo un efecto sobre el cerebro que se convierte en la percepción luminosa. Algunos llaman l. precisamente a la sensación luminosa producida por este ente físico, que, sin lugar a duda, es una clase especial de energía denominada energía radiante (v. RADIACIONES). A continuación exponemos la evolución histórica de las teorías que han tratado de explicar la esencia de la l.

Periodo corpuscular. No existe una verdadera teoría científica de la l. hasta que Newton (1642-1727; v.) propone la suya, afirmando que se trata de un chorro de partículas que en su movimiento sigue las leyes de la Mecánica. Con éstas explica la propagación rectilínea, ya que por el principio de la inercia (v.) todo cuerpo no sometido a ninguna fuerza sigue una trayectoria rectilínea uniforme. Para la reflexión se apoya en el choque (v.) elástico de los cuerpos, explicando la igualdad del ángulo de incidencia y el de reflexión, así como la permanencia en un mismo plano del rayo incidente, la normal a la superficie reflectora y el rayo reflejado. Para explicar la ley de la refracción de Descartes, necesita introducir la hipótesis adicional de una fuerza que el segundo medio tiene que ejercer sobre las partículas para modificar él ángulo que forman con la normal. Según esta teoría la velocidad de la l. en el vacío sería menor que en otro medio cualquiera. Este último motivo es definitivo para rechazar la teoría corpuscular, ya que las medidas realizadas más tarde por Foucault (v.) y otros ponen de manifiesto que la velocidad en el vacío es mayor que en otro medio, consecuencia ésta deducible teóricamente de la teoría ondulatoria.

Aunque Newton descubrió la dispersión de la l. y los anillos que llevan su nombre, fue partidario de una imagen corpuscular para ella, a pesar de la perfecta explicación que encuentran estos hechos dentro del cuadro de la teoría ondulatoria. Para explicar la dispersión (descomposición de la l. compuesta en sus diferentes colores, debida a la distinta velocidad de la l. de diferentes medios que no sean el vacío, fig. 3) suponía que los corpúsculos eran de diferentes masas según los colores.

Periodo ondulatorio. Contemporáneo de Newton, Huygens (v.) había descubierto el hecho de la doble refracción (en ciertos cristales, como la calcita, a un rayo que entra le corresponden dos a la salida). Con ayuda del principio que lleva su nombre, sobre la propagación de las ondas, explicó el fenómeno de la reflexión y refracción, demostración que aún puede verse en cualquier texto de óptica o de Física general. Para Huygens la l. era un movimiento semejante al de las olas del mar. Pasó el tiempo y la gran influencia de Newton hizo que esta nueva teoría no fuese aceptada hasta que el médico inglés Thomas Young, a principios del s. XIX, descubriese la posibilidad de hacer interferir dos haces luminosos.

Según la teoría corpuscular, dos haces luminosos que se encuentran en un punto del espacio sumarían sus efectos y la iluminación producida en dicho punto sería la suma de las que produciría cada haz por separado. En cambio, según la teoría ondulatoria (v. ONDAS) puede producirse la anulación de los efectos y existir oscuridad allí donde se encuentran dos o más haces de l. Y Young encuentra precisamente este fenómeno experimentalmente haciendo interferir l. que provenía de dos agujeros hechos en una pantalla e iluminados ambos por un mismo manantial luminoso (este último requisito es necesario debido al peculiar proceso de emisión de la l.).

Parece, pues, que la teoría ondulatoria ha alcanzado una rotunda confirmación, pero la falta de formación matemática de Young le impide dar una formulación completa de ella; posteriormente el científico francés A. J. Fresnel (v.) explica la propagación rectilínea de la l. a partir del principio de Huygens, hecho que hasta entonces no había podido explicarse dentro de la imagen ondulatoria. Un descubrimiento más, el de la polarización (v.) de la l., realizado por el mismo Fresnel junto con otro científico francés, Arago, y el de la difracción, ya descubierto por Grimaldi, forman con las interferencias las tres experiencias típicamente ondulatorias que se producen, p. ej., en la propagación del sonido, de las ondas en el agua, etc.

La difracción (v.) de la l. se produce siempre que ésta incide en un obstáculo que la limite. Así, se encuentra l. en lugares donde sólo debiera haber sombra si se siguiera estrictamente la ley de la propagación rectilínea.

Por el fenómeno de la polarización se sabe que las ondas luminosas son transversales, es decir, que las vibraciones se producen en un plano perpendicular a la dirección de propagación (fig. 2).

A raíz de esta nueva concepción sobre la naturaleza de la l. se planteó la siguiente cuestión: ¿qué es lo que vibra billones de veces por segundo? Las medidas realizadas de la longitud de onda de la l. indicaron que la frecuencia de vibración era del orden de 1014 c/seg. Los movimientos ondulatorios conocidos hasta entonces (sonido, ondas térmicas, etc.) necesitaban de un medio material para propagarse (si se coloca un despertador en el interior de una campana de aire y se va extrayendo aire de ella, llega un momento que no se oye el timbre debido a que el sonido se produce por contracciones y expansiones del aire; si se quita éste, no habrá sonido). De igual modo, se pensó en un medio que fuese el que vibrase y propagase las ondas luminosas. Este medio debería llenar todo el espacio, incluso el vacío, ya que la l. se propaga a su través (como lo demuestra el hecho de que nos llega la l. del Sol y otros astros).

A este medio, al que se llamó éter, se le tenía que dotar de unas propiedades y éstas resultaron contradictorias entre sí: la velocidad de propagación de la l. en el vacío, próxima a los 300.000 Km/seg., es tan grande que la densidad del éter debería ser pequeñísima; por el contrario, la enorme frecuencia de las vibraciones que se producen en él hacen pensar en una rigidez semejante a la del acero.

Fueron sucediéndose diferentes teorías sobre la naturaleza del éter hasta que llegó la obra genial de James Clerk Maxwell (1831-79; v.). De su teoría del campo electromagnético dedujo la existencia de ondas electromagnéticas y, al comprobar que la velocidad de éstas era muy parecida a la de la l., emitió la hipótesis de la naturaleza electromagnética de las vibraciones luminosas. Otras dos propiedades de estas ondas, su posibilidad de propagarse en el vacío y su carácter transversal, fueron la confirmación de esta teoría, por explicar otras tantas propiedades de las ondas luminosas hasta el momento difíciles de conciliar. Las ondas luminosas visibles son ondas electromagnéticas de frecuencias comprendidas entre 3,87-1014 y 8,35-1014 c/seg (v. ESPECTROS).

Periodo cuántico. Nuevos hechos experimentales aportan nuevos conocimientos y al tratar de explicarlos aparecen nuevos conceptos y nuevas teorías. Así, el efecto fotoeléctrico, el efecto Compton y la radiación emitida por el cuerpo negro (cuerpo que absorbe todas las radiaciones que inciden sobre él) son hechos representativos de esta etapa que denominamos cuántica.

Ni la fórmula de lord Rayleigh ni la de Wien explicaron perfectamente la curva de emisión del cuerpo negro (v. CALOR II). Sólo Max Planck (v.) lo consiguió a partir de su hipótesis de los cuantos (v.), según la cual, la materia, al emitir o absorber la l. lo hace en cantidades finitas (discretas) y no de forma continua. Estas cantidades son múltiples de una unidad elemental de energía o cuanto, de energía igual a una constante (constante de Planck) multiplicada por la frecuencia de l. emitida (E?=hv). Einstein, para explicar el efecto fotoeléctrico, supuso, además, que es la l. la que está constituida por unos cuantos de energía luminosa, llamados fotones (v.), cuya energía está dada por la expresión anterior. Aplicadas estas fórmulas al efecto Compton dan perfecta explicación del fenómeno.

Nace, pues, una dualidad. Fenómenos de propagación, como interferencias, difracción y polarización, se explican adecuadamente con el modelo ondulatorio; fenómenos de interacción con la materia, como efecto fotoeléctrico, emisión de la luz, efecto Compton, sólo encuentran solución dentro del modelo cuántico. Louis de Broglie (v.), partiendo de su teoría de la onda asociada a la partícula, extiende esta dualidad a la materia y unos años más tarde, C. Davisson y L. H. Germer demuestran experimentalmente la hipótesis, produciendo un fenómeno de difracción de electrones (v.). Erwin Schródinger (v.) da forma matemática a estas ideas y deduce una ecuación diferencial cuya solución proporciona una función que define totalmente el estado físico de un sistema. Por caminos diferentes, W. K. Heisenberg (v.) llega a elaborar una teoría matemáticamente equivalente a la de Schródinger. La nueva teoría, llamada Mecánica cuántica (v. MECÁNICA IV) supone que tanto la l. como la materia están compuestas por corpúsculos y que el comportamiento ondulatorio observado en ciertas circunstancias se debe a un fenómeno estadístico cuando en el experimento concurren gran cantidad de corpúsculos. Ésta es la interpretación que dio el físico alemán Max Born y que sigue hoy día la llamada escuela de Copenhague. La función de onda, solución de la ecuación de Schródinger, determina la probabilidad de encontrar al corpúsculo en un punto del espacio. Nada dice esta mecánica acerca de cómo es el corpúsculo ni por qué se comporta así.

La hipótesis inicial de Louis de Broglie sobre la existencia real de una onda asociada a cada partícula se desvaneció en expresiones matemáticas y en la actualidad la Mecánica cuántica se ha convertido en una poderosa herramienta de cálculo para el físico. Solo una escuela, la dirigida por el propio De Broglie, ha vuelto a revisar los principios y trata de dar una explicación más física del fenómeno.

El experimento de las interferencias (v.) de Young ha sido una de las piedras de toque de ambas escuelas. Realizadas estas experiencias con un haz muy débil de l. (es decir, de pocos fotones) se comprueba que los primeros impactos se distribuyen al azar y que sólo al ir aumentando el número de los fotones que llegan a la pantalla (en este caso, placa fotográfica) la distribución se va aproximando a la típica formación de franjas interferenciales predicha en la teoría ondulatoria. Cada escuela da una explicación del fenómeno. Según algunos autores nunca se podrá dilucidar cuál de las dos interpretaciones es la verdadera, pero ésta es una opinión aventurada teniendo en cuenta cómo la Ciencia ha elaborado nuevas teorías partiendo de hechos no imaginables dentro del cuadro de las teorías ya establecidas.

V. t.: COMPTON, EFECTO; DIFRACCIÓN; COLOR; FOTÓN; ELECTROMAGNETISMO; ELECTRÓN; FOTOELECTRICIDAD; FOTOMETRíA; INTERFERENCIAS; MECÁNICA; ONDAS; POLARIZACIÓN; REFLEXIÓN Y REFRACCIÓN; RADIACIONES; RAYOS X.

M. ALVAREZ-CLARO IRISSARRI.

BIBL.: F. A. JENKINS y H. E. WHITE, Fundamentos de óptica, Madrid 1964; J. ANDRADE E SILVA, Los cuantos, Madrid; E. ZIMMER, Una revolución en el concepto físico del mundo, Barcelona 1944; G. GAMOw, Biografía de la Física, Madrid 1962.