Luz y Optica Luz I: ¿Partícula u onda?

por Nathaniel Stites, M.A./M.S.

Did you know that scientists and philosophers debated for centuries about whether light traveled in waves or particles? Finally in the 20th century, one of science's "most beautiful experiments" seemed to confirm the wave-like nature of light, until it was further refined some 100 years later.

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For centuries, controversy over whether light is made of particles or waves abounded. This module traces the controversy over time, from Isaac Newton's "corpuscle" (particle) theory, which prevailed for centuries, to Thomas Young's groundbreaking double slit experiment, which provided evidence that light traveled in waves.

Términos que usted debe sabertoggle-menu

  • beam = a ray or shaft of light from a source
  • particle = a tiny piece of matter
  • phenomenon = a fact or event that can be observed

Tabla de Contenidotoggle-menu

Pimeras Teorías

Desde tiempos imemoriales, la imaginación humana ha tratado de encontrar significado del mundo y se ha reconocido a la luz como esencial para nuestra existencia. La luz siempre ha proporcionado consuelo y alivio, ya sea para una niña de la prehistoria, que se calienta a la luz del fuego en una caverna, o para una niña moderna, miedosa de dormirse en la oscuridad.

Las primeras teorías documentadas de la luz provienen de los antiguos griegos. Aristóteles creía que la luz era una especie de disturbio en el aire, uno de sus cuatro "elementos" que componían la materia. Siglos después, Lucrecio, quien, como Demócrito anteriormente, creía que la materia estaba compuesta de "átomos indivisibles", y que la luz era una partícula emitida por el sol. En el siglo 10 A.C, el matemático persa, Alhazen, desarrolló una teoría que postulaba que todos los objetos irradian su propia luz. La teoría de Alhazen contradecía las teorías anteriores que proponían que se podía ver gracias a que nuestros ojos emitían luz para iluminar los objetos a nuestro alrededor.

En el siglo XVII, emergieron de Francia dos modelos distintos para explicar el fenómeno de la luz. El filósofo y matemático francés René Descartes creía que una sustancia invisible, que el denominó el plenum, permeaba el unverso. Igual que Aristóteles, Descartes creía que la luz era un disturbio que viajaba a través del plenum, como una ola viaja a través del agua. Pierre Gassendi, un contemporáneo de Descartes, cuestionó esta teoría, y declaró que la luz estaba compuesta de partículas diferenciadas.

Partículas versus ondas

Mientras se desarrollaba esta controversia entre dos filósofos franceses rivales, dos destacados científicos ingleses del siglo XVII se dedicaron a la batalla de partículas versus ondas. Isaac Newton, después de considerar ambos modelos, decidió finalmente que la luz estaba hecha de partículas (aunque las llamó corpúsculos). En 1655 Robert Hooke, que ya era un rival de Newton y de los científicos que identificarían y denominarían la célula, era partidario de la teoría de la onda. Estos dos científicos, al contrario que muchos otros anteriores, basaron sus teorías en las observaciones del comportamiento de la luz: reflejo y refracción. El reflejo, como en un espejo, era un acontecimiento bien conocido, pero la refracción, que hoy en día es un fenómeno familiar, a través del cual un objeto parcialmente sumergido en el el agua parece estar "roto", no era bien entendido en ese entonces.

Figura 1: Un lápiz en un vaso de agua parece "roto" debido a la refracción de la luz.

Los partidarios de la teoría de la luz como una partícula señalaban que el reflejo era una evidencia que la luz consistía en partículas individuales que rebotaban de los objetos, como bolas de billar. Newton creía que la refracción podía ser explicada a través de sus leyes de movimiento, en la que las partículas de luz eran los objetos en movimiento. Así, creía que a medida que las partículas de luz se acercaban al límite entre dos materiales de diferentes densidades, tal como el aire y el agua, la fuerza gravitacional en aumento causaría el cambio de dirección de las partículas.

La teoría de la partícula de Newton también estaba basada en sus observaciones de cómo el fenómeno de la onda se relaciona con el sonido. Newton entendió que el sonido viajaba a través del aire en ondas, lo que quería decir que el sonido podía viajar alrededor de esquinas y de obstáculos, por lo que una persona en una habitación podía escuchar a través de la puerta. Debido a que la luz no podía doblar las esquinas o los obstáculos, Newton creía que la luz no podía difractarse. Por lo tanto, suponía que la luz no era una onda.

Hooke y otros - sobre todo el científico holandés Christian Huygens – creían que la refracción sucedía debido a que las ondas de luz reducían su velocidad a medida que ingresaban en un medio más denso como el agua y, por consiguiente, cambiaban su dirección. Los teóricos de las ondas, como Descartes, creían que la luz viajaba a través de algún tipo de material que se extiende en el espacio. Huygens apodó este medio el éter.

Debido a la fama y reputación de Newton, muchos científicos del siglo XVII y XVIII se adherieron a la idea que la luz era una partícula. Sin embargo, la teoría de luz como una onda, recibió un gran empuje del científico inglés Thomas Young al principio del siglo XIX.

Control de Comprensión

Scientists who believed that light was made of particles pointed to __________ as evidence to support their ideas.

Las ondas tienen la solución

El 24 de noviembre de 1803, Thomas Young se presentó ante la Royal Society de Londres para dar a conocer los resultados de un experimento innovador. Young concibió un simple esquema para ver si la luz demostraba un comportamiento particular hacia las ondas: la interferencia. Para enteder este concepto, imagine dos ondas que viajan en una cuerda en sentido opuesto, como se muestra en la Figura 2:

Figura 2: La vibración del desplazamiento de la onda, da lugar a la interferencia de manera constructiva.

Cuando las ondas alcanzan el mismo lugar de la cuerda, en el mismo momento, como se muestra en el diagrama, se unen y crean una onda con el doble de amplitud (altura) de las ondas originales. La unión de las ondas se conoce como "interferencia constructiva", ya que las ondas se unen para construir una onda nueva y más grande.

Se muestra otro escenario posible en la Figura 3:

Figura 3: La vibración del desplazamiento de la onda, da lugar a la interferencia de manera constructiva.

Aquí, las dos ondas que se aproximan una a la otra, tienen amplitudes iguales y opuestas. Cuando se encuentran (en el medio del diagrama), se anulan totalmente. Esto efecto de anulación se conoce como "interferencia destructiva", ya que las ondas desaparecen temporalmente cuando se encuentran.

Control de Comprensión

When waves cancel each other out, this is called

Thomas Young reconoció que si la luz se comportaban como una onda, sería posible crear modelos de interferencia destructiva y constructiva usando la luz. En 1801, concibió un experimento que forzaría que dos rayos de luz viajen distancias diferentes, antes de que se interfieran al alcanzar una pantalla. Para conseguir esto, Young hizo que un espejo dirigiera un delgado rayo de luz solar en un cuarto oscuro (¡e hizo que un asistente se cerciora de que el espejo dirigiera apropiadamente la luz solar!). Young dividió el rayo en dos al poner una delgada tarjeta al borde del haz del rayo, tal como se ve en la figura siguiente.

Figura 4: La ilustración y el diagrama esquemático del experimento de Young. El borde la tarjeta divide la luz en dos rayos. Cuando los rayos alcanzan la pantalla, han viajado distancias diferentes ya que se han doblado alrededor del borde de la tarjeta. Esto produce interferencia destructiva y constructiva. Cuando hay interferencia constructiva, la diferencia de la ruta es un número entero múltiplo de la longitud de onda (o es cero, como se mostró con anterioridad), y la intensidad de la luz que golpea la pantalla está en su máximo. Las manchas oscuras aparecen en la pantalla cuando ocurre la interferencia destructiva. Esto es el resultado de la diferencia en la ruta, que es igual a la mitad de la longitud de onda de la luz, o un número entero multiple del mismo.

Cuando dos rayos de luz relucen en la pantalla, Young observó un interesante patrón de "bordes" oscuros y claros donde los dos rayos interferían uno con otro de manera constructiva y destructiva. Los bordes claros aparecían donde la intensidad de la luz que golpeaba la pantalla era más acentuada, y los bordes oscuros aparecían donde la intensidad era cero. Allí donde los dos rayos estaban exactamente "en fase" (ver la Figura 5), interferían constructivamente y creaban una luz que era más brillante o intensa que cualquiera de los dos rayos por separado. Allí donde los rayos de luz estaban exactamente "fuera de fase", interferían destructivamente y producían una mancha oscura que tenía un total de intesidad de luz de cero.

Figura 5: Ondas en fase y fuera de fase. Parte superior: Las ondas rojas y anaranjadas están "en fase", y la combinación de estas dos ondas (mostradas en azul) es una onda con el doble de amplitud de cada una de las ondas originales. Parte inferior: Las ondas rojas y anaranjadas están "fuera de fase", y el resultado (mostrado en azul) es una onda de cero de amplitud.

Para entender el patrón de los bordes del experimento de Young, examinemos más detalladamente el movimiento de dos ondas. Imagine que empezamos con dos ondas que están perfectamente en fase, como se muestra en la Figura 6:

Figura 6: Dos ondas que están en fase cuando alcanzan la pantalla en la parte derecha de la figura.

Si una onda viaja a mayor distancia que la otra, los picos y los bajos de las ondas se compensarán unos con otros y podrían estar fuera de fase cuando alcancen su destino, como se muestra en la Figura 7.

Figura 7: Dos ondas que han viajado distancias diferentes y están fuera de fase cuando alcanzan la pantalla a la derecha de la figura.

Si la diferencia de la distancia del viaje de las dos ondas es todavía mayor, éstas alcanzarán un punto donde el pico de una onda se alinea con la parte inferior de la otra. Finalmente, si la onda que viaja más lejos sigue el camino que es exactamente una longitud de onda más larga que el camino que sigue la otra onda (o dos o tres o cualquier número entero múltiplo, más larga), entonces sus picos se alinearán otra vez y llegarán a su destino en fase, tal como se muestra en la Figura 8.

Figura 8: Dos ondas que han viajado diferentes distancias, pero que sin enmbargo están en fase cuando alcanzan la pantalla a la derecha de la figura. La distancia adicional que ha recorrido la onda roja (indicada por las líneas verticales verdes) es exactamente igual a una longitud de onda, por lo que las ondas llegan a su destino en fase una con otra, a pesar de que han viajado distancias diferentes.

Young se dio cuenta que las manchas brillantes en su pantalla ocurrían donde la diferencia en la longitud del camino recorrido por el rayo de luz era un número entero múltiplo de la longitud de onda de la luz. Las ondas que se encontraban en este punto estaban perfectamente en fase y habían formado una mancha brillante debido a que los picos y los bajos se habían alineado unos con los otros.

En los lugares donde no había luz, la diferencia en las longitudes de los caminos era un múltiplo exacto a la mitad de la longitud de onda, por lo que las dos ondas estaban completamente fuera de fase e interferían destructivamente, tal como se ve en la Figura 9.

Figura 9: Dos ondas que han recorrido distancias diferentes y están perfectamente fuera de fase cuando alcanzan la pantalla a la derecha. La distancia adicional recorrida por la onda roja (indicada por las líneas verticales verdes) es exactamente igual a la mitad de una longitud de onda, por lo que las ondas llegan fuera de fase a su destino e interfieren destructivamente.

A través de este experimento (a menudo llamado el experimento de "Doble hendidura" de Young, y votado, en 2002, por el períodico New York Times, como el quinto experimento más hermoso - ver el enlace Noticias & Eventos), Young demostró con certeza la naturaleza de la luz como una onda. Sus experimentos respondieron a la afirmación de Newton que la luz no podía darle la vuelta a las esquinas o a los obstáculos ya que, cuando doblaba alrededor de los bordes de una tarjeta, ésta ya lo había hecho. Hoy en día, los físicos saben que las ondas pueder ir alrededor de un obstáculo, pero sólo si el tamaño del obstáculo es comparable al tamaño, o a la longitud de onda, de la onda. La tarjeta que Young usó en su experimento era muy delgada - aproximadamente, sólo del grosor de la longitud de onda de la luz que Young estaba usando para dividirla, por lo que la luz sí se doblaba alrededor de la tarjeta.

Control de Comprensión

In Young's experiment with two beams of light traveling toward each other, bright spots appeared on the screen when

Frente a esta convincente evidencia, los científicos del siglo XIX, tuvieron que reconocer que la luz es una onda. Empero, esto ocurrió lentamente, debido a los obstáculos causados por la reputación de Newton y al legado de su teoría corpuscular. Sin embargo, una vez que la idea de la luz como una onda se arraigó, esta idea allanó el camino para que el físico escocés James Clerk Maxwell concibiera una elegante descripción de la luz como una onda, lo que unificó dos conceptos de la física que se estaban desarrollando, rápidamente, en una teoría completa. Fue esta descripción lo que creó el marco para un descubrimiento que tendría lugar 100 años después, cuando un joven alemán, oficinista de patentes, llamado Albert Einstein mostraría que la concepción de la luz como una onda no era totalmente correcta y, por lo tanto, revolucionaría el pensamiento científico del siglo XX.


Lectura Adicionaltoggle-menu

Nathaniel Stites, M.A./M.S. “Luz I” Visionlearning Vol. PHY-1 (3), 2005.

Cólera, colera hacia la muerte de la luz.

-Dylan Thomas,
1914 - 1953

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