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Microfísica de la luz: entre ondas y partículas

Resumen: Desde la antigüedad, la luz ha sido una constante de reflexión para el ser humano. Sin embargo, su estudio no fue esbozado a grandes rasgos sino a partir del siglo XVII donde alcanzó un verdadero desarrollo. Desde esta fecha, los descubrimientos y reflexiones por parte de científicos y filósofos han contribuido a la constitución de lo que conocemos como la ciencia de la luz, la Óptica, cuyo dominio se ha ampliado sin cesar...

Publicación enviada por Oscar David Caicedo Machacón




 


Introducción
Desde la antigüedad, la luz ha sido una constante de reflexión para el ser humano. Sin embargo, su estudio no fue esbozado a grandes rasgos sino a partir del siglo XVII donde alcanzó un verdadero desarrollo. Desde esta fecha, los descubrimientos y reflexiones por parte de científicos y filósofos han contribuido a la constitución de lo que conocemos como la ciencia de la luz, la Óptica, cuyo dominio se ha ampliado sin cesar.

La mayor parte de la gente piensa que tiene una idea bastante satisfactoria de lo que es la luz. Pero la pregunta ¿qué es la luz? nos da una idea bastante clara de lo difícil que es responder a este interrogante con exactitud; tanto es así que los hombres de ciencia tardaron decenas de años para llegar a una enunciación básica correcta.

Un rasgo de supremo interés en el estudio de la historia de la óptica, es que en el curso de esta, dos concepciones, en principio antagónicas, sobre la naturaleza de la luz se han enfrentado constantemente, alternando su éxito. Pareciera como si la luz no quisiera develar su verdadera naturaleza. Es en este respecto donde el gran físico Luis de Broglie habla de El secreto de la Luz. 

Hoy se sabe que las dos concepciones opuestas (en apariencia irreconciliables) contienen ambas una parte de verdad. Sobre este particular quisiera centrar el actual escrito, de manera general, sin entrar en los desarrollos matemáticos, que serían obviamente necesarios para abordar este tema de manera verdaderamente exacta.

Naturaleza de la luz
En principio, enunciemos cuales son las dos concepciones que he mencionado anteriormente. Según una de ellas, la luz está formada por corpúsculos o partículas en movimiento, y los fenómenos luminosos son debidos al transporte, a través del espacio, de diminutos proyectiles a grandes velocidades. La otra teoría tiene una idea muy diferente de la luz: sería una propagación por el espacio de una conmoción, de una onda parecida a las que corren en la superficie del agua, o mejor, a las que dan lugar a los fenómenos sonoros al propagarse por el aire. Sobre esto, nos advierte Leopold Infeld que al hablar de onda debemos distinguir entre la propagación de esta, y el movimiento de las partículas de matería que forman el medio material a través del cual la onda se desplaza. De modo similar, cuando analizamos las rutas por las que se esparce el chisme, debemos distinguir entre la difusión de éste y los movimientos de una chismosa; ésta puede ir desde su casa hasta la de los vecinos y volver, pero el chisme mismo puede difundirse radialmente en todos sentidos, desde su fuente . 

El desarrollo de la óptica pareció, en un principio, favorecer la teoría corpuscular, pero luego, en los inicios del siglo XIX pareció haber un triunfo casi definitivo de la segunda concepción, la concepción ondulatoria. Sin embargo –según afirma de Broglie- nuevas investigaciones atrajeron de nuevo la atención hacia la teoría corpuscular y parecieron demostrar que la teoría ondulatoria no bastaba por sí sola para explicar la totalidad de los fenómenos que se producían por la luz. (de Broglie. Ibíd., págs. 16, 17). Veamos un poco de la historia de esta incesante lucha de teorías:

Los fenómenos ópticos menos complejos, conocidos por los pensadores de la antigüedad pero estudiados de manera más precisa desde el siglo XVII son la propagación rectilínea de la luz, su reflexión y su refracción.

En una habitación totalmente cerrada, donde no haya fuente luminosa alguna, se hace impensable divisar los objetos que en ella se encuentran puesto que lo que vemos es realmente la luz. Cuando la oscuridad es sólo parcial, dejando pasar una mínima parte de luz proveniente del exterior por un agujero se divisa un polvillo suspendido en el aire que nos indica que la propagación es en línea recta. Esto ocurre cuando la fuente de luz es lejana y el orificio pequeño.

En la concepción corpuscular este hecho tendría una explicación muy sencilla: toda fuente de luz proyecta a su alrededor partículas que se alejan de manera rectilínea; estas líneas rectas o haces de luz son, según esta concepción, las trayectorias de los rayos luminosos. Por el contrario, la teoría ondulatoria no puede dar cuenta de manera tan simple de este hecho, pues las ondas siempre tienen tendencia a expandirse, propagándose.

El fenómeno de la reflexión, también es fácilmente explicable desde la concepción corpuscular, no así desde la ondulatoria. Cuando un rayo de luz incide sobre un espejo plano, es devuelto de tal manera que el ángulo formado por el rayo reflejado con la normal del espejo (ángulo de reflexión), es igual al ángulo de esta misma normal con el rayo incidente (ángulo de incidencia).

Por su parte, el fenómeno de la refracción de la luz consiste en una inflexión o quiebre del rayo luminoso al pasar de un medio material a otro. Este fenómeno es más complejo de interpretar con la concepción corpuscular que los dos anteriores, pero haciendo uso de hipótesis simples sobre la velocidad de las partículas de luz en los medios materiales se llega a interpretarlo.

Estos hechos ópticos parecieran sugerir la “verdad” contenida en la concepción corpuscular. Sin embargo, hacia el año de 1678 el holandés Christian Huyghens formula su preferencia por la teoría ondulatoria, haciéndolo con argumentos bastante fuertes y contundentes. Mostraba que la concepción de las ondas permitía encontrar las leyes de reflexión y refracción, aunque por supuesto, de manera menos directa y simple que la teoría granular, pero igualmente satisfactoria. 

A finales del siglo XVII, Newton, además de mostrar por la experiencia que la luz blanca no es simple y que puede descomponerse en una infinidad de luces coloreadas con la ayuda de un prisma, mostró que esta, al caer sobre una lámina delgada con una capa de aceite esparcida en la superficie del agua, se logran divisar en ella anillos concéntricos coloreados. Éste fenómeno, que parece manifestar el carácter ondulatorio de la luz, y que resulta inexplicable desde el punto de vista corpuscular, curiosamente no hizo que Newton vacilara en preferir esta segunda posición a la primera. Su esfuerzo por explicar ingeniosamente los anillos coloreados desde la teoría corpuscular representó el primer intento por combinar las imágenes de ondas y partículas.

A inicios del siglo XIX, una serie de investigaciones teóricas y experimentales trajeron el triunfo (momentáneo) de la concepción ondulatoria, sobre todo gracias a los trabajos de Thomas Young y Agustín Fresnel.

Fresnel retomó y completó la teoría de Huyghens. Éste último había explicado, por medio de la hipótesis de las ondas, el fenómeno de la reflexión y la refracción de la luz, pero no había hecho lo mismo con algo tan simple como la propagación rectilínea. Fresnel muestra que ésta es una consecuencia de la propagación de las ondas; logró explicar por medio de la concepción ondulatoria todos los hechos que habían sido explicados por medio de la teoría corpuscular de la luz.

Durante todo el siglo XIX, la mayor parte de los físicos optó por la interpretación ondulatoria. Su éxito parecía totalmente asegurado. Sin embargo, aún cuando Young y Fresnel y otros creyeron posar esta teoría sobre un terreno suficientemente sólido como para ser puesta en duda, a principios del siglo pasado se empezaron a exhumar propiedades que sólo podrían ser explicadas en función de partículas no materiales.

De Broglie nos ilustra cómo la experiencia ha probado que, al iluminar un trozo de materia, se puede desde el inicio de la irradiación provocar la expulsión de los electrones de la materia con la condición de que la frecuencia de la luz utilizada sea elevada; esto es lo que se conoce como el efecto fotoeléctrico. Este es independiente de la intensidad de la luz, depende más bien de una frecuencia bastante elevada. Esto, según de Broglie, sólo es pensable si admitimos una idea granular de la luz.

Así, el efecto fotoeléctrico parece evidenciar la estructura corpuscular de la luz, pero está realmente prohibido el retorno puro a las antiguas concepciones granulares.

¿Qué significa esto exactamente? ¿Ambas teorías son correctas, equivocadas o complementarias? ¿Podemos utilizar una u otra sin discriminación?
Se dice que el gran físico británico Sir Lawrence Bragg afirmaba jocosamente a sus discípulos que los días lunes, miércoles y viernes prefería la teoría ondulatoria y los martes, jueves y sábados la teoría de partículas. Pero este hecho no es realmente así de arbitrario. Si se nos pide que demos una descripción de una persona, podemos hacerlo ostensivamente mostrando una fotografía de ella o de manera verbal, con una descripción de su carácter. Según la finalidad, una descripción es mejor que la otra. Si queremos saber cómo es la persona físicamente nos sería de mejor ayuda la fotografía, pero si lo que queremos es saber cómo es su carácter, nos serviría mejor saber cómo se comporta esta persona en situaciones extremas o cotidianas. Ambas descripciones, aunque incompletas, pueden ser consecuentes.

Lo mismo sucede con el modelo ondulatorio y corpuscular. Ambos nos ofrecen verdades parciales acerca de la luz; ambos son coherentes entre sí. Una representación mental de lo que es la luz es casi imposible: lo único para describirla con exactitud son los símbolos matemáticos.

Así, vemos entonces cómo tratando de resolver el enigma de la doble naturaleza de la luz, los físicos han sido conducidos no sólo a modificar sus concepciones usuales de la física teórica, sino también a adoptar nuevos puntos de vista cuya importancia filosófica es de inestimable valor. Con justa razón, Max Planck en la segunda década del siglo pasado afirmó que de todas las partes de la física, la óptica es la que sin lugar a dudas presenta los avances más profundos .

Notas:
DE BROGLIE, Luis. Continuidad y discontinuidad en física moderna. Madrid: Editorial Espasa Calpe, 1957, págs. 15 - 42.

INFELD, Leopold. Einstein. Argentina: Editorial Lautaro, 1961, págs. 119, 120.

DE BROGLIE, Luis. Op. cit., pág. 18.

Ibíd., pág. 27.

PLANCK, Max. La Nature de la Lumière (1919) 1927. [La Naturaleza de la Luz] Librairie Scientifique Albert Blanchard. París. pág. 5. Traducción libre del francés.



Bibliografía general
· DE BROGLIE, Luis. Continuidad y discontinuidad en física moderna. Madrid: Editorial Espasa Calpe, 1957.

· HEWITT, Paul. Física conceptual. México: Editorial Pearson. 1999.

· INFELD, Leopold. Einstein. Argentina: Editorial Lautaro, 1961.

· PLANCK, Max. La Nature de la Lumière (1919) 1927. [La Naturaleza de la Luz] Librairie Scientifique Albert Blanchard. París.

· TAYLOR, John. La nueva física. Madrid: Editorial Alianza. 1999.

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