Trabajo Domiciliario

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TRABAJO DOMICILIARIO (abril 2012)

Ejercicios Resueltos

Ejercicios Resueltos

viernes, 2 de abril de 2010

¿QUÉ ES LA LUZ?

HISTORIA DE LAS TEORÍAS SOBRE LA NATURALEZA DE LA LUZ

(Publicado por primera vez en “Revista Universitaria- UABC No. 50, abril-junio 2005)


Los griegos preguntan ¿cómo es que podemos ver?


¿Cómo es que podemos ver? Esta es una pregunta interesante para todos los seres humanos. Hoy

en día, para contestarla, tenemos la fortuna de disponer de información acumulada a través de

miles de años. Allá por 500 A.C., en tiempos del apogeo de la cultura griega, esto no era así. En

aquel entonces, los primeros filósofos trataban de encontrar una respuesta para esa pregunta,

buscándola por sí mismos. Aunque sus respuestas no resultan satisfactorias en nuestro tiempo,

hay que reconocerles el gran mérito de haber sido quienes iniciaron la búsqueda.

El sentido de la vista tiene en común con el tacto que nos permite conocer la forma de los

objetos, pero tiene la ventaja de que puede hacerlo aún habiendo distancia de por medio. Los

filósofos griegos trataron de explicar cómo era que la vista conseguía salvar esta distancia.

Empédocles pensaba que la vista no era más que tocar los objetos con una “mano” muy larga. Él

creía que de los ojos salían emanaciones que hacían contacto con los objetos y recogían su

forma. Esta teoría se llama extramisión. Leucipo, en cambio creía que el acercamiento ocurría en

sentido contrario. Los objetos emitían “algo” que contenía su forma y color, y que incidía sobre

los ojos, los cuales no hacían más que captarlo. Esta teoría se llama intromisión.

Ya que sin luz no podemos ver, se suponía que estas emanaciones no podían existir en la

oscuridad pero ni Empédocles, ni Leucipo pudieron decir nada sobre su naturaleza. Sin embargo,

había algo completamente claro: las emanaciones o “rayos” viajan en línea recta. Esto hace que

su propagación pueda estudiarse usando las leyes de la geometría. No es de extrañarse que

Euclides, el padre de la geometría tradicional o euclidiana, escribiera un libro sobre el tema, en

el que establece las bases de la perspectiva, técnica que aún usan hoy en día dibujantes y

pintores en todo el mundo.

Fue muchos años después cuando se resolvió el añejo debate de extramisión contra

intromisión. El encargado de esto fue Alhazen, médico árabe nacido en lo que hoy es Irak.

Tomando entre otras cosas el hecho de que mirar directamente al sol lastima los ojos, dedujo

acertadamente que los ojos son receptores y no emisores. También acertó al explicar que un

objeto recibe luz del ambiente y la esparce en todas direcciones. En ausencia de obstáculos, esta

luz esparcida se propaga hacia el ojo y le permite percibir el objeto. Si no hay luz, los objetos no

pueden esparcir nada y es por eso que no los podemos ver.


Newton presenta sus leyes


A finales del siglo XVII, Newton enunció tres leyes que revolucionarían la física. La primera ley

de Newton o de la inercia establece que en ausencia de fuerzas aplicadas, un cuerpo en reposo

permanecerá en reposo y uno en movimiento rectilíneo uniforme, seguirá así permanentemente.

Esto contradice el concepto intuitivo, consagrado por Aristóteles de que los cuerpos tienen

siempre tendencia al reposo y que es necesario aplicarles una fuerza para mantenerlos en

movimiento.


Figura 1: La propagación rectilínea de la luz puede analizarse utilizando leyes geométricas simples. Es por esto que, aunque perfeccionada durante el Renacimiento, fue Euclides quien sentó las bases de la perspectiva.



La segunda ley nos dice cómo un cuerpo de una masa determinada cambia su estado de

movimiento en respuesta a cierta fuerza aplicada. Ya que a mayor masa hay mayor tendencia del

cuerpo a seguir en su estado original, se puede decir que la masa es la medida de su inercia. La

tercera ley de Newton, o ley de acción y reacción, dice que las fuerzas siempre vienen en pares.

Si A ejerce una fuerza en B, necesariamente habrá una fuerza de reacción de B sobre A.

Además de estas tres elegantes leyes, a Newton también le debemos la ley de la

Gravitación Universal, el Cálculo y una amplia investigación experimental sobre la luz. Por todo

esto, se considera merecidamente a Isaac Newton como el padre de la física. Sin embargo, sus

teorías sobre la luz, nunca tuvieron el mismo nivel que el resto de su obra. A pesar de esto, en

muchos centros de estudio, la lectura acrítica de los textos de Aristóteles fue reemplazada por la

lectura acrítica de los textos de Newton. Este hecho desempeña un papel significativo en la

historia que contaremos a continuación.


Newton dice: la luz está formada por partículas


Las leyes de Newton consiguieron explicar tantos fenómenos, que fue fácil exagerar y pensar

que podían explicarlos todos. En este contexto, Isaac Newton explicó la naturaleza de la luz,

considerando que está formada de pequeñas pelotitas, en lo que se conoce como teoría

corpuscular o de emisión. El movimiento de estas pelotitas podía explicarse por medio de las

leyes de Newton. Es verdad que esta teoría da respuestas a muchas preguntas ¿Por qué la luz

viaja en línea recta? Porque así es como toda partícula viaja de acuerdo a la ley de la inercia.

¿Porqué la luz se refleja en algunas superficies? Porque las pelotitas de que está formada,

rebotan.

Explicar la refracción es un poco más complicado. Sin embargo, Newton supuso que la

velocidad de las pelotitas de luz aumenta bruscamente al pasar de un medio menos denso a otro

más denso. El ángulo de refracción calculado de este modo, coincide perfectamente con el

encontrado experimentalmente, lo que es más que satisfactorio. En realidad, la suposición de que

la velocidad de la luz es mayor en los materiales más densos es falsa. Es cierto que la velocidad

de la luz cambia al pasar a un medio más denso, pero su cambio consiste en una reducción. No

obstante, en aquel entonces nadie lo sabía, ya que aún no era posible medir la velocidad de la luz.

Para Newton, la intensidad de la luz correspondía con la cantidad de pelotitas que cruzan

un punto determinado por unidad de tiempo. La luz demasiado intensa es dañina porque los ojos

no pueden soportar la energía que la pelotitas liberan al golpearlos. Por otra parte, la luz de

diferentes colores consiste en pelotitas de diferentes tamaños, las más pequeñas correspondientes

al color violeta y las más grandes al color rojo. Tiempo después, los seguidores de Newton

explicaron la polarización suponiendo que las pelotitas no son redondas sino que tienen cierta

forma geométrica y que un filtro polarizador sólo permite pasar a las que tienen una orientación

determinada.


Figura 2: Cuenta la leyenda que una manzana cayendo de un árbol fue la fuente de inspiración de Isaac Newton. Quizás también pensaba en manzanas cuando planteó que la luz está formada de partículas. Sin embargo, su idea de que la intensidad de la luz proyectada sobre una pantalla depende de cuantas partículas la golpean por unidad de tiempo, no consigue explicar las franjas que aparecen en el experimento de Young.



Sin embargo, la difracción seguía resistiendo las explicaciones basadas en la teoría corpuscular.

Si la luz estuviera hecha de pelotitas que viajan en línea recta, un obstáculo debería solamente

detener una parte de éstas y la proyección de la luz sobre una pantalla consistiría simplemente en

una sombra geométrica, como ocurre efectivamente para obstáculos grandes. Sin embargo, no

había forma de explicar porqué para obstáculos pequeños la luz se desvía tan notoriamente de su

trayectoria rectilínea, ni porqué la luz proyecta sobre una pantalla un complejo patrón de

difracción.

Figura 3: Experimento de Young. ¿Por qué en la región iluminada por los dos haces de luz, existen zonas completamente obscuras?


En particular, lo que resultaba especialmente incómodo era esa serie de manchas iluminadas y

oscuras que aparecían en órdenes tan específicos. Un experimento realizado en 1803 por Thomas

Young y que se esquematiza en la figura 3, servirá para explicar mejor el origen de esta

incomodidad. En este experimento se hace pasar un haz de luz a través de dos rendijas para así

crear dos haces que puedan proyectarse sobre una pantalla. Es importante que las rendijas sean

muy delgadas porque se requiere que la luz se desvíe lo suficiente como para iluminar más allá

de su sombra geométrica. En la figura 3a y 3b puede verse que si se tapa una de las rendijas, la

otra puede iluminar por sí sola más de la mitad de la pantalla. Cuando las dos rendijas se

destapan, los dos haces coinciden en la región central y hacen aparecer una serie de franjas

iluminadas y oscuras alternantes, como se muestra en la figura 3c.

¿Cómo explicar la aparición de estas franjas? Si la luz estuviera formada de pelotitas,

cuando dos haces se encontraran sobre una pantalla, la región de traslape estaría siendo golpeada

por el doble de pelotitas y por tanto su iluminación presentaría el doble de la intensidad que la de

las otras regiones. Sin embargo, aunque en esta región existen zonas muy bien iluminadas,

también existen otras completamente oscuras. ¿Cómo puede ser posible que el encuentro entre

dos haces de luz, pueda dar lugar a oscuridad?

Newton hizo varios intentos de contestar a esta pregunta utilizando la teoría corpuscular

pero nunca consiguió hacerlo en forma sencilla y elegante. A pesar de esto, su prestigio como

padre de la física era tanto, que hubo muchos dispuestos a considerar como verdades sagradas

sus más torpes explicaciones. De hecho, el mismo Young podía explicar los resultados de su

experimento en una forma mucho más sencilla. Sin embargo, la explicación requería abandonar

completamente la idea de las pelotitas y considerar a la luz como una onda.


¿Qué es una onda?


Supongamos que estamos frente a un estanque en un día sin viento; el agua de la superficie, en

calma, está perfectamente horizontal. El arrojar una piedra cambiará esta situación. En el punto

en donde la piedra cae, el agua se aparta de su posición de equilibrio. Después de un rato, el agua

en este punto regresa a la normalidad, pero ahora es el agua a su alrededor la que está perturbada.

A esta perturbación del agua que se propaga en todas direcciones le llamamos onda. Si

consideramos que el eje de las abscisas es el nivel del agua en equilibrio, la figura 4 podría ser un

esquema bastante realista de una de estas ondas. Un punto en donde el agua alcanza su altura

máxima es una cresta y uno donde alcanza su altura mínima es un valle. La distancia máxima

que la altura del agua puede alejarse de su posición de equilibrio se llama amplitud. La distancia

entre cresta y cresta o entre valle y valle se llama longitud de onda. Es importante destacar que

aunque la onda se propague en dirección horizontal, el agua no se mueve nunca en esta

dirección. El agua se mueve hacia arriba o hacia abajo cuando sale de su posición de equilibrio,

pero una vez pasada la perturbación regresa a su posición original. El agua es sólo el medio a

través del cual viaja la onda.



Figura 4: Esquema de una onda, mostrando sus principales parámetros. La amplitud es la desviación

máxima del valor de equilibrio. Lo longitud de onda es la distancia entre dos puntos equivalentes.


Esto puede explicarse mejor por medio de la figura 5, en donde podemos ver como una

perturbación se propaga de izquierda a derecha, a través de una cadena de partículas. La

perturbación provoca que una partícula se separe de su posición de equilibrio, en dirección

vertical en (a) y en dirección horizontal en (b). Las partículas no tienen movimiento neto, ya que

son sólo el medio a través del cual se propaga la perturbación: después de que ésta pasa, regresan

a su posición de equilibrio.

Figura

Figura 5: Dos diferentes formas en que se puede propagar una perturbación a través de una cadena de

partículas (a) Transversal: la dirección de la perturbación y la dirección de la propagación hacen un ángulode 90°. (b) Longitudinal: La perturbación y la propagación se mueven en la misma dirección.


Ya que el movimiento de la partícula y el de la perturbación son dos cosas diferentes, las ondas

se pueden clasificar en dos tipos. Si la dirección del movimiento de la partícula y la dirección en

que la perturbación se propaga son diferentes, como ocurre en (a) tenemos una onda transversal.

Las ondas en un estanque son transversales, ya que la perturbación hace que el agua suba y baje,

mientras la onda se propaga horizontalmente. Por otra parte, si la dirección del movimiento de la

partícula y la dirección de la propagación son la misma, como ocurre en (b), tenemos una onda

longitudinal. La figura 4 puede representar sin ningún cambio a cualquier onda transversal, y con

un poco de imaginación puede usarse también para representar una onda longitudinal.

La suma de ondas presenta algunos fenómenos interesantes. Cuando dos ondas se

encuentran, no necesariamente coinciden las crestas de una con las crestas de la otra. Si lo hacen,

se dice que están en fase. Si dos ondas de la misma amplitud se encuentran en fase, el resultado

es una onda con una amplitud dos veces mayor que la original. A esto se le llama interferencia

constructiva. Si no existe esta coincidencia se dice que las ondas están fuera de fase. En

particular, si la cresta de una onda coincide con el valle de la otra, se dice que las ondas están en

contrafase. Cuando dos ondas de la misma amplitud se encuentran en contrafase, se cancelan una

con otra. A esto se le llama interferencia destructiva.

Figura 6: Interferencia entre dos ondas. (a) Interferencia constructiva de dos ondas en fase. (b) Interferencia

destructiva de dos ondas en contrafase.


Si te interesa entender más entonces mira este simulador


El sonido es una onda longitudinal de presión del aire. En un cuarto silencioso, la presión del aire

sería constante y tendría un cierto valor de equilibrio. Si suena una campana, su efecto consiste

en perturbar el aire próximo, haciendo que su presión tome valores mayores o menores que la

presión en equilibrio. Esta perturbación se propaga a través del aire hasta nuestro oído, en donde

finalmente los cambios de presión son detectados por nuestro tímpano y enviados al cerebro para

ser procesados. Si no hay nada que perturbar, como ocurre en el espacio vacío, el sonido no se

puede propagar.


Huygens dice: la luz está hecha de ondas


En la época de los griegos, las dos principales teorías estaban basadas en una analogía entre vista

y tacto. Muchos siglos después, la analogía entre vista y oído motivó muchas reflexiones. La

vista y el oído tienen en común que ambos funcionan a larga distancia. La naturaleza ondulatoria

del sonido ya había sido bien establecida. Era inevitable preguntarse ¿no será la luz también una

onda? Un holandés llamado Christian Huygens contestó afirmativamente a esta pregunta.


Figura 7: Las ondulaciones en el agua son el ejemplo más típico de una onda. Al considerar la luz como una

onda, Christian Huygens pudo explicar las franjas en el experimento de Young como consecuencia de

interferencia constructiva y destructiva entre luz que viaja por trayectorias diferentes.


En la teoría ondulatoria de Huygens, la intensidad de la luz se relaciona con la amplitud de la

onda mientras que los diferentes colores corresponden a valores diferentes de las longitudes de

onda: el color rojo tiene la longitud de onda más larga, mientras que el color violeta tiene la más

corta. Según el principio de Huygens, cuando la luz se encuentra con un obstáculo, cada punto de

éste se convierte en una nueva fuente de onditas que se propagan en todas direcciones, lo que

explica sin problemas la difracción. Estas onditas interfieren entre sí, dando lugar a direcciones

de propagación preferenciales, como las que ocurren en los fenómenos de reflexión y refracción.

Las franjas que aparecen en el experimento de Young pueden explicarse directamente como

consecuencia de interferencia constructiva y destructiva entre los dos haces de luz. Del mismo

modo, las regiones iluminadas y oscuras en un patrón de difracción, se explican como

consecuencia de interferencia entre rayos difractados en diferentes direcciones. Más importante,

el principio de Huygens permite calcular, con extremada precisión, los patrones de difracción

esperados para diferentes obstáculos.

En resumen, tenemos que la teoría ondulatoria puede explicar propiedades de la luz como

la intensidad y el color y fenómenos como la reflexión, la refracción, al igual que lo hace la

teoría corpuscular. Pero además, la teoría ondulatoria puede explicar más que satisfactoriamente

la difracción, cosa que la teoría corpuscular no puede. A pesar la evidente ventaja, la teoría

ondulatoria fue recibida con recelo. Por una parte estaba el gran prestigio de Isaac Newton, pero

por otra, es verdad que la teoría tenía varios puntos flacos. La analogía entre sonido y luz, que

fue la principal impulsora de la teoría, es útil también para señalar sus problemas. Si la luz es una

onda, ¿por qué no puede sacarle la vuelta a los obstáculos como lo hace el sonido? Además, si el

sonido no presenta polarización ¿por qué la luz sí? Por último, si se coloca una campana dentro

de un recipiente transparente al vacío, no podemos oír el sonido de la campana, pero sí podemos

verla. ¿Por qué el sonido no puede propagarse en el vacío mientras que la luz sí puede?

El principio de Huygens puede explicar esto sin problemas, ya que predice que la

difracción sólo será perceptible cuando las dimensiones del obstáculo sean similares a la longitud

de onda. La longitud de onda de la luz es muy pequeña en comparación con los objetos

cotidianos, por lo que en nuestra vida diaria es muy difícil que la percibamos y podemos

considerar por tanto, que la luz viaja en línea recta. En cambio, la longitud de onda del sonido es

mucho más grande, por lo que la difracción sí puede percibirse y estas porciones difractadas nos

permiten escuchar a pesar de no estar frente a la fuente de sonido o de que se nos atraviese algún

obstáculo.

El hecho de que el sonido no presente polarización y la luz sí, también tiene una

explicación simple. El sonido es una onda longitudinal y si se propaga en cierta dirección, esa

será exactamente la dirección de la perturbación. Por otra parte, para una onda transversal, la

perturbación puede ocurrir en cualquier dirección perpendicular a la de propagación. Hay

infinitas direcciones en que esto puede cumplirse. Es de esperarse que en un grupo de ondas

transversales se encuentren perturbaciones orientadas aleatoriamente en todas las direcciones

posibles. El paso por un filtro polarizador seleccionaría aquellas ondas cuyas perturbaciones se

mueven en una dirección específica. Si consideramos que la luz está formada por ondas

transversales, podemos explicar porqué presenta polarización, lo que para el sonido, que es una

onda longitudinal, sería imposible.

La última de las preguntas es sin duda la más difícil. Ya mencionamos que el sonido es

una perturbación de la presión del aire. Si la luz es una onda y puede viajar en el vacío, ¿qué es

exactamente lo que perturba? Una perturbación no puede existir si no hay nada que perturbar, así

que se supuso que el vacío absoluto no existe y que todo el universo se encuentra lleno de una

sustancia infinitamente más ligera que el aire a la que se llamó éter. La idea de que una onda

pudiera propagarse a través del espacio vacío se consideraba tan descabellada que, a pesar de que

no haber ninguna prueba, la existencia del éter se consideraba incuestionable. Sin embargo, había

más sorpresas esperando.


El concepto de campo


El descubrimiento de la electricidad fue un momento muy importante en la historia de la física,

al igual que en la historia de la humanidad. La materia tiene una propiedad llamada carga

eléctrica, que puede ser positiva o negativa. La fórmula es muy conocida hoy en día: cargas

iguales se repelen, cargas opuestas se atraen. El descubrimiento de que el magnetismo es

generado por cargas en movimiento, lo unificó con la electricidad en lo que ahora se conoce

como electromagnetismo. A pesar del escepticismo inicial, el electromagnetismo logró tener un

potencial tecnológico casi inagotable. La vida moderna no merecería tal nombre sin la energía

eléctrica que todos tenemos al alcance del enchufe.

El conocimiento del mundo que nos rodea, también recibió un impulso gigantesco por

parte del electromagnetismo. Un nuevo concepto que parecía cuestión de filosofía se reveló

como una idea poderosísima. Para entender mejor esto, supongamos que en un punto A tenemos

una carga positiva, mientras que en el punto B tenemos otra. Las leyes del electromagnetismo

dicen que habrá una fuerza de repulsión entre ellas. Ahora retiremos la segunda carga y

mantengamos la que está en el punto A. ¿Qué hay en el punto B? Ya que no hay carga en B, no

habrá fuerza entre dos cargas. Pero si hubiera una carga en B, entonces la fuerza de repulsión

aparecería sin demora. Ese “si hubiera... entonces”, ¿existe sólo en nuestra mente o en verdad

hay algo en B que se manifiesta solamente cuando aparece una carga? La diferencia entre “existe

una fuerza” y “si hubiera una carga, existiría una fuerza” es radical. A la mera posibilidad de que

en un punto determinado, una “carga de prueba” sufriera una fuerza, Michael Faraday la llamó

campo.


Figura 8: Algunos creen que filosofar es sinónimo de perder el tiempo. Sin embargo, cuando de la cabeza de Michael Faraday salió el concepto de campo, nadie podía imaginar la forma en que iba a revolucionar la ciencia y nuestra forma de vivir.


A pesar de que el concepto de campo parece sólo una entelequia conveniente, Michael Faraday

insistía en la realidad de su existencia. Para Faraday, el campo era una perturbación del espacio.

Una carga produce un campo eléctrico y si se mueve produce también un campo magnético. Las

“cargas de prueba” se mueven debido al efecto del campo en que están sumergidas y no debido a

la acción a distancia de la otra carga. Para muchos, era difícil compartir las alucinaciones de

Faraday. El campo no parecía ser algo tangible, sino una simple idea y suponer que las ideas

forman parte de la realidad, parecía cuestión de antiguas filosofías superadas. La realidad estaba

hecha cosas, de materia... no de conceptos. Por eso los filósofos que pretendían situar sus dos

pies en la realidad se llamaban materialistas, como en la expresión materialismo-dialéctico, muy

conocida por quienes han tenido contacto con la literatura socialista.


Ondas electromagnéticas


A pesar de su intangibilidad, la realidad de los campos resultó ser tan cierta como que el sol

ilumina la Tierra. Cuando James Clerk Maxwell analizó las ecuaciones que describen las

interacciones entre campos eléctricos y magnéticos se dio cuenta de que predecían que una

perturbación en ellos se podría propagar. Una variación del campo eléctrico produciría un campo

magnético variable. La variación en el campo magnético se reflejaría en una nueva variación del

campo eléctrico, la cual a su vez volvería a causar una variación en el campo magnético. El

campo eléctrico y el magnético, ambos perturbaciones del espacio, se propagarían juntos en lo

que sería una perturbación electromagnética. La velocidad con que esta perturbación del vacío se

propagaría a través del espacio resultó extrañamente ser muy similar a la velocidad de la luz, que

ya había sido medida en aquel entonces. La conclusión era pasmosa; la luz no era más que una

onda electromagnética.


Simulador, Nos permite visualizar una onda electromagnética


Ya mencionamos que la longitud de onda de la luz es pequeña con respecto al tamaño de

los objetos cotidianos. La pregunta ahora era: ¿Existirán ondas electromagnéticas con longitudes

de onda de otros tamaños? Hertz consiguió generar ondas electromagnéticas con longitudes de

onda mucho más largas. Esas ondas hertzianas son las que se usan hoy en día para transmitir el

radio y la televisión y, ya que su longitud de onda es bastante grande, pueden sacarle la vuelta a

los obstáculos: podemos captar una señal de radio aún cuando no podamos ver la antena emisora

de la estación.

Con longitudes de onda un poco más largas que las del color rojo se encuentran los rayos

infrarrojos, mientras que los rayos ultravioleta tienen longitudes de onda un poco más cortas que

el violeta. Tanto las ondas electromagnéticas infrarrojas como las ultravioletas tienen

propiedades muy similares a las de la luz, y a veces se hace referencia a ellas como luz. Debido a

esta ampliación del concepto, al intervalo entre rojo y violeta, que es el que nuestros ojos pueden

percibir, se le llama luz visible.

Figura 9: Los rayos ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma no son más que ondas electromagnéticas con

longitudes de onda más cortas que la luz visible.


Los rayos X, que han tenido una aplicación espectacular en medicina y los rayos gamma que

producen los elementos radiactivos revelaron no ser más que ondas electromagnéticas de

longitudes de onda más cortas que la luz. Es interesante notar que mientras menor sea la longitud

de onda de una onda electromagnética más posibilidades hay de que sea dañina para los seres

vivos. Es necesario usar bloqueador solar para proteger nuestra piel de los rayos ultravioleta, los

rayos X no pueden usarse en mujeres embarazadas y accidentes como el de Chernobyl causan un

daño terrible debido, entre otras cosas, a la emisión de rayos gamma.

Una consecuencia de considerar la luz como una onda electromagnética es que el éter

dejó de ser necesario. El éter había cumplido una función importante como soporte de la teoría

ondulatoria, pero ese papel lo tenía ahora el concepto de campo. Los campos son perturbaciones

del vacío, y una vez aceptado esto no necesitamos concebir un material especial al que la onda

electromagnética pueda perturbar. Sin embargo, el éter, como todas las ideas anticuadas, se

resistió a morir. No obstante, el fracasadamente exitoso experimento de Michelson y Morley, que

pretendía detectar el éter, así como el posterior desarrollo de la teoría de la relatividad por parte

de Albert Einstein, mataron, enterraron y le rezaron novenario a ese alguna vez útil concepto.

Pero esa es otra historia que deberá contarse en otra ocasión.


Dualidad onda-partícula


Hasta aquí, el debate sobre la naturaleza de la luz podría contarse como si fuera una telenovela.

El malvado Newton con su absurda teoría corpuscular, usaba tráfico de influencias para

conseguir que sus ideas fueran consideradas correctas y condenar al ridículo a sus detractores.

Los heroicos Young, Huygens y Maxwell, después de muchas vicisitudes sacaron la verdad a

relucir poniendo a la teoría ondulatoria en el pedestal en que debe estar, como una teoría

absolutamente correcta. Ahora que nuestros héroes hicieron su trabajo, ya sabemos lo que es la

luz y podemos sentarnos a descansar.

Esta consoladora visión de la lucha entre la teoría corpuscular y la ondulatoria, no tuvo

tiempo de arraigarse. Los científicos de principios del siglo XX no tuvieron un minuto de reposo

ya que con el avance de la tecnología se habían logrado hacer mediciones más precisas de una

gran variedad de fenómenos y muchos clamaban por una explicación que ni siquiera la teoría

electromagnética de Maxwell podía dar. Uno de estos fenómenos era el efecto fotoeléctrico.

En el efecto fotoeléctrico, la energía que la luz puede transferir a un electrón depende de

su color. La teoría electromagnética dice que la energía contenida en la luz se relaciona con la

amplitud de la onda mientras que el color se relaciona con su longitud de onda. En ninguna parte

plantea la teoría electromagnética una relación entre energía y color. Así, el efecto fotoeléctrico

permanecía como un misterio insondable.

La solución al enigma fue ingeniosa, pero la física tuvo que dar un pequeño salto hacia

atrás. Albert Einstein señaló que el efecto fotoeléctrico podía explicarse fácilmente si se suponía

que la luz está formada por paquetes discretos a los que llamó fotones. La energía de un fotón

dependería inversamente de la longitud de onda de la luz, de acuerdo a una relación empírica que

Max Planck utilizó para explicar la radiación del cuerpo negro. Un fotón de luz azul tiene más

energía que uno de luz roja, debido a su menor longitud de onda. Esto no implica que siempre la

luz azul sea más intensa que la luz roja, ya que la intensidad depende también de la cantidad de

fotones disponibles. Pero durante el efecto fotoeléctrico, un electrón choca con un sólo fotón. Por

tanto, la cantidad de energía que la luz le transfiere a éste dependerá de la energía del fotón, y no

de la energía que la luz transporta globalmente. En otras palabras, la energía transferida al

electrón dependerá del color de la luz y no de su intensidad.

Todas las ondas electromagnéticas pueden entenderse como formadas de fotones. Para las

ondas con longitudes muy largas, los fotones tienen muy poca energía, por lo que el concepto no

resulta útil. En cambio, para los rayos X y los rayos gamma, los fotones resultan ser altamente

energéticos y su estudio es indispensable para entender la cada vez más grande variedad de

fenómenos que la teoría electromagnética no puede explicar.

A pesar de lo útil del nuevo concepto, el fotón parecía haber resucitado la vieja teoría

corpuscular de Newton. La pregunta obligada era: ¿Es la luz una onda o una partícula? La

evidencia en favor de la teoría electromagnética no desapareció, a la vez que se fue acumulando

nueva evidencia en favor de la teoría del fotón. Nadie podía darse el lujo de descartar ninguna de

las dos teorías. Después de mucha confusión, se llegó a la conclusión de que ambas eran

necesarias y se renunció a la idea de buscar una reconciliación entre ellas.

Luis de Broglie llevó esta ambigüedad un poco más lejos y planteó que si las ondas

tenían propiedades de partícula, también las partículas debían tener propiedades de onda. Los

experimentos que buscaban propiedades ondulatorias en los electrones y otras partículas fueron

exitosos, por lo que se estableció la dualidad onda-partícula. Siempre se había supuesto que

ondas y partículas eran dos realidades diferentes, pero no es así. En realidad todas son ondaspartículas,

en donde a veces pueden predominar las propiedades de onda y en otras, las de

partícula. Este concepto llevó al desarrollo de la mecánica cuántica.


Figura 10: Dicen que el ocio es la madre de todas las filosofías. La verdad es que gracias a la labor iniciada

por los filósofos griegos, hoy disponemos de una tecnología que nos libera de trabajos repetitivos y nos

permite tener tiempo libre durante el cual podemos seguir filosofando.


La historia no ha terminado de escribirse


No todos se han resignado tan fácilmente. Constantemente se han diseñado experimentos con el

propósito de determinar si la luz es más onda que partícula o viceversa. Uno de estos consistió en

una repetición del experimento de Young, pero reduciendo la intensidad de la luz de tal modo

que en un cierto instante sólo un fotón pudiera estar atravesando una u otra rendija. El resultado

es que el patrón de difracción empieza a formarse paulatinamente a partir de las marcas que

dejan los choques de los fotones en la pantalla. Esto es desconcertante ya que la teoría

electromagnética dice que las franjas luminosas y oscuras son consecuencia de la interferencia

constructiva y destructiva de luz que sigue dos trayectorias diferentes. Pero si en cada momento

sólo se está transmitiendo luz por una sola de las rendijas ¿cómo puede haber interferencia?

Hasta hoy, nadie ha dado una respuesta que les guste a todos, a estas y otras

interrogantes. Tanto el uso de la teoría electromagnética como el de la mecánica cuántica se

revelaron como poderosas herramientas para el desarrollo tecnológico. Sin embargo, no

deberíamos caer en el error tantas veces repetido de tomar a las últimas teorías conocidas como

la verdad absoluta. La verdad debe ser algo mucho más complejo y seguramente en el futuro

alguien se aventurará a encontrar una nueva forma de explicar todos estos fenómenos; una nueva

forma, tan clara y elegante, que consiga descartar a las teorías actuales. ¿Ocurrirá esto pronto?

¿Tendremos oportunidad de verlo? ¿Quién será el valiente que se atreva?¿No podría ser acaso...

uno de nosotros?









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