Teorías de la luz 2019

q es la luz

¿Qué es la luz? Encontrar una respuesta a ésta pregunta ha sido uno de los grandes desafíos de la ciencia a lo largo de toda la historia. Más de 2000 años de física han dado para mucho, y las teorías de la luz han ido cambiando mucho hasta llegar a nuestros días.

Hoy, vamos a entender un poco mejor qué es la luz según la física a partir de un breve repaso a las teorías de la luz más importantes propuestas a lo largo de los años.

Teoría corpuscular vs teoría ondulatoria

La verdadera naturaleza ha sido uno de los temas mas polémicos y controvertidos de la historia de la ciencia. Hasta hace poco, podíamos dividir las teorías de la luz en dos grandes equipos: las teorías corpusculares y las ondulatorias. Como si de dos grandes equipos de fútbol se tratase, ambas teorías fueron ganando y perdiendo fuerza a lo largo de los años, convirtiéndose en un quebradero de cabeza para la comunidad científica.

la luz es materia

La teoría corpuscular viene de la mano de Isaac Newton, en el siglo XVIII. La teoría corpuscular entiende la luz como un flujo de pequeñas partículas o corpúsculos. Estas partículas se mueven siempre en línea recta, a grandes velocidades, y son capaces de atravesar cuerpos transparentes, mientras que rebotan en los cuerpos opacos.

Cabe decir que la lógica y el sentido común parece que le dan la razón a ésta teoría de la luz: las sombras de los cuerpos o la reflexión de la luz son fenómenos fácilmente explicables si entendemos la luz como un chorro de partículas.

Newton logró explicar la refracción de la luz a partir de cambios en la velocidad de las partículas. Además, Newton era una estrella de rock de la época en cuanto a popularidad se refiere, por lo que hizo que la comunidad científica aceptase la teoría corpuscular de la luz.

definicion de luz

Mucho menos popular era el holandés Christian Huygens. Al contrario que Newton, Huygens pensaba que la luz era una onda, de igual manera que el sonido o las olas del mar. Como no podía explicar la propagación de la luz a través del vacío, pensó que debía existir un medio presente incluso en el vacío al que llamó éter. Ante la imposibilidad de demostrar su teoría, y dado el prestigio de Newton, su teoría fue descartada durante mucho tiempo.

La doble rendija: un duro golpe para la teoría corpuscular.

En el siglo XIX, muchos años después de que la teoría corpuscular fuese aceptada como válida, un experimento puso en apuros la teoría corpuscular de Newton. Thomas Young ideó el famoso experimento de la doble rendija.

que es la luz visible

Imagina que tienes una pared con dos agujeros muy muy pequeños y muy próximos. Detrás de la pared perforada, tenemos una pantalla. En el experimento, nosotros enfocamos con un haz de luz a los agujeros de la pared. Si la luz se comporta como una partícula, en la pantalla de detrás deberíamos ver dos puntos, uno por cada agujero… ¿Verdad?

La doble rendija sólo puede explicarse a través de la teoría ondulatoria.

Pues lo que encontramos en la pantalla es un patrón mucho más interesante. En la pantalla, podemos ver varias franjas de luz y oscuridad. La única manera de explicar este patrón es que la luz se comporta como una onda.

Al pasar por dos rendijas lo suficientemente pequeñas, las ondas se difractan, y empiezan a propagarse de forma radial (en círculos) desde cada una de las rendijas. Tenemos dos focos de ondas saliendo desde cada una de las rendijas, por lo que interfieren entre sí.

Las interferencias dan lugar al patrón de franjas claras y oscuras que Young vió en la pantalla. En las zonas donde ambas ondas mostraban un pico, la luz es más alta. Por el contrario, si en un punto una onda tenía un máximo mientras que la otra tenía un mínimo, ambas se cancelaban, dando lugar a franjas de oscuridad.

El experimento es muy fácil de entender a partir de ondas de agua, y recomiendo que lo probéis para entenderlo de primera mano. A continuación os dejo un vídeo donde se explica claramente.

Además del éxito de la doble rendija, la teoría corpuscular de la luz se encontró con otro problema. En 1848 se descubrió que la velocidad de la luz en distintos medios era completamente contraria a lo que Newton había dicho muchos años atrás. Todos estos factores hicieron que se adoptase la teoría ondulatoria como la nueva teoría correcta sobre la naturaleza de la luz, aunque aún quedaban algunos cabos sueltos (como por ejemplo el tema del éter).

La teoría electromagnética de la luz

En 1845, Faraday y Maxwell propusieron que la luz era en realidad una onda electromagnética. Ésto supuso una revolución total para la época, y preguntas como la propagación por el vacío quedaban resueltas. Aquí puedes conocer más sobre cómo se propaga la luz.

propiedades de la luz

Todo parecía cuadrar ahora. La luz se propaga a velocidad constante, igual que las ondas electromagnéticas. Ninguna de las dos necesita un medio de propagación. Ya no quedan cabos sueltos, ¿no? Pues amigos, la batalla por conocer qué es realmente la luz no descansa nunca.

El efecto fotolétrico. ¿La luz es materia?

comportamiento de la luz

En 1905, nuestro físico favorito, Albert Einstein publicó su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico, el cual fue galardonado con un Novel. El efecto fotoeléctrico solo funciona si entendemos que la luz es una partícula, un fotón.

Nos encontramos entonces ante un problema nunca visto. Tenemos dos teorías de la luz para entender la naturaleza de un mismo fenómeno. A veces, nos conviene pensar en la luz como una onda electromagnética, y otras veces nos es mejor entenderla como una partícula de materia. A éste fenómeno se le conoce como dualidad onda partícula o onda corpúsculo.

¿Qué es la luz? La dualidad onda partícula.

Con la intención de unificar los conceptos de partícula y onda, De Broglie formuló que todo objeto material presenta características ondulatorias. Un fotón, un electrón, pero tú también, tu casa, tu coche, la tierra…

El problema es que la longitud de onda asignada al cuerpo es inversamente proporcional a la materia del mismo. Partículas muy pequeñas como el electrón presentan comportamientos ondulatorios perceptibles. En cambio los cuerpos a los que estamos acostumbrados son mucho más pesados, por lo que su longitud de onda es tan pequeña que no podemos percibir su ondulación.

La ecuación de onda y la mecánica cuántica.

La llegada de la mecánica cuántica nos ha hecho entender que el sentido común no siempre funciona. Estamos acostumbrados a entender el mundo con los conceptos que ya conocemos, conceptos clásicos de la física. Pero resulta que cuando nos ponemos a estudiar el mundo a muy pequeña escala, estos conceptos se desmoronan. Hemos estado años tratando de entender la luz a partir de ondas y de partículas pero, ¿y si es algo mucho más complejo que eso?

Puede simplemente que ese algo, depende de como lo miremos, parezca que es una onda o una partícula. Un ejemplo del nuevo conocimiento que tenemos sobre la verdadera naturaleza de la luz es la ecuación de onda de Schrödinger.

Dicha ecuación es el fundamento de la mecánica cuántica, y predice los movimientos de la luz tanto cuando se comporta como una onda como cuando se comporta como una partícula. La función de onda da para un artículo nuevo solo para ella, por lo que si quieres ir curioseando, te dejo con el siguiente vídeo:

¿Has aprendido algo nuevo sobre las teorías de la luz? ¿Te es más sencilla de entender la teoría corpuscular o la ondulatoria? Déjanos un comentario!

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