La teoría ondulatoria de la luz afirma que la luz es una onda, en contraposición a la teoría corpuscular que afirma que la luz es un conjunto de partículas. Fue formulada en 1678 por el físico holandés Christian Huygens.
Sin embargo, no fue aceptada por los científicos de su época, salvo contadas excepciones como la de Robert Hooke.
Algunos fenómenos de la luz solo pueden ser explicados partiendo del hecho de que la luz es una onda, por ejemplo la interferencia luminosa y la difracción de la luz. Estos fenómenos carecen de justificación cuando se supone que la luz es un haz de partículas.
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| Los cientúficos han debatido durante mucho tiempo acerca de la naturaleza ondulatoria de la luz. Fuente: Pixbay. |
Entonces ¿cuál es la verdadera naturaleza de la luz? ¿Es onda o es partícula? Los científicos trataron de resolver el dilema pasando sucesivamente de la teoría corpuscular a la ondulatoria y luego nuevamente a la corpuscular.
En la actualidad se acepta que la luz es ambas cosas a la vez: es una onda electromagnética, pero dicha onda está cuantizada en partículas llamadas fotones. Los fotones son emitidos por las fuentes luminosas, como por ejemplo el filamento caliente de una bombilla o por las estrellas como nuestro Sol.
Cada fotón tiene una energía que depende exclusivamente de su frecuencia y una cantidad de movimiento o momentum que depende de su longitud de onda. Pero el fotón es una partícula sin masa, que tiene asociadas cantidades propias de las ondas, como la longitud de onda y la frecuencia.
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| Figura 2. Animación que muestra la interferencia de la luz: un fenómeno propio de las ondas. Fuente: Wikimedia Commons. |
Historia de las teorías acerca de la luz: una cronología concisa
La naturaleza de la luz se ha debatido entre dos teorías: la corpuscular y
la ondulatoria. A continuación se dará una cronología sobre la evolución de las
teorías de la luz.Siglo XVII: etapa corpuscular
2.- De acuerdo al modelo corpuscular de Newton, la reflexión luminosa era causada por el rebote de las partículas de luz sobre las superficies reflectantes como la superficie del agua tranquila, un metal pulido o el plateado de un espejo.
3.- La teoría corpuscular también podía explicar la refracción, que es la desviación de un haz luminoso cambia de medio, por ejemplo del aire al vidrio, o del aire al agua. Según Newton, la causa era el aumento de velocidad de las partículas al entrar a un medio más denso.
4.- Newton había demostrado que la luz blanca es la composición de varios colores, los cuales se descomponen al pasar por un prisma. De igual forma Newton construyó un disco con sectores de colores, que cuando giraba a gran velocidad parecía un disco blanco. De allí dedujo que la luz estaba compuesta por corpúsculos de diferentes tipos o colores.
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| Figura 3. Descomposición de la luz blanca. Fuente: Wikimedia Commons. |
5.- La teoría corpuscular también podía explicar satisfactoriamente la sombra de los objetos cuando son iluminados con una fuente luminosa que parte de un punto, por ejemplo la llama de una vela.
Siglo XIX: etapa ondulatoria
6.- La teoría ondulatoria de la luz fue propuesta casi simultáneamente que la corpuscular por Christian Huygens en 1678. En ese momento todas las ondas conocidas se propagaban sobre un medio, así que Huygens propuso que la onda luminosa se propagaba sobre el éter.
7.- El éter nunca pudo ser hallado y la teoría corpuscular explicaba bien los fenómenos conocidos para el momento como la reflexión, la refracción y la proyección de sombras. De esta forma la teoría corpuscular prevaleció por más de 100 años.
El experimento de la doble rendija
9.- El experimento original de Young consistió en iluminar con un haz de luz monocromática un obstáculo estrecho, formado por una lámina delgada del orden de las décimas de milímetro.
De esta forma el haz quedaba separado. Cuando se proyectaba sobre una pantalla en una habitación oscura se formaba un patrón de bandas claras y oscuras.
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| Figura 4. Esquema del experimento de la doble rendija.
Fuente: Wikimedia Commons.
10.- El experimento también puede realizarse con un haz de luz monocromática que se hace pasar por dos finas ranuras con una separación del orden de las décimas de milímetro.
De inmediato aparece sobre una pantalla de proyección el patrón de bandas claras y oscuras, conocido como patrón de interferencia. De allí el nombre del experimento.
11.- El fenómeno de interferencia y su respectivo patrón había sido observado previamente en las ondas superficiales en agua, por lo que no quedaba duda que la luz era también una onda. El principio de Fresnel-Huygens
12.- La explicación teórica del fenómeno de interferencia fue establecida en 1815 con los trabajos de Augustin Fresnel, que se basaban en los trabajos previos de Huygens de 1637.
13.- El principio de Fresnel - Huygens establece que todo punto de un frente de onda es una fuente de ondas esféricas secundarias que se propagan en todas las direcciones con la misma velocidad, frecuencia y longitud de onda que el frente de onda original.
14.- La explicación de la interferencia basada en este principio era clara: cuando el frente de onda luminosa llegaba a la pared con la doble rendija se formaban dos fuentes puntuales de ondas.
Al observarlas en un punto, con una diferencia de camino igual a un número entero de longitudes de onda, producía un punto claro y cuando la diferencia de camino era un número semientero de longitudes de onda, se formaba un punto oscuro.
15.- Más evidencia a favor de la teoría ondulatoria de la luz aparece en
1845, con los experimentos de Faraday. Ellos muestran como un haz luminoso cambia su plano de polarización cuando
se aplica un campo magnético en la dirección del haz.
Figura 4. Efecto Faraday: rotación del plano de polarización por efecto de un
campo magnético. Fuente: Wikimedia Commons.
16.- Por otro lado, en 1865, James Clerk Maxwell formuló las ecuaciones del
electromagnetismo, las cuales predicen la existencia de ondas
electromagnéticas.
Las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz y no requieren
de ningún medio para propagarse. Más tarde en 1888 Heinrich Hertz generó ondas electromagnéticas mediante
un circuito oscilante. Siglo XX: dualidad onda-partícula17.- Hasta 1905 nadie dudaba que la luz era una onda electromagnética hasta que apareció una explicación, dada por el mismísimo Albert Einstein, del efecto fotoeléctrico, en la cual reaparecen las partículas de luz, las cuales Einstein llamó fotones.
Siglo XXI: las aplicaciones de la luz
El 2015 fue el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz, de acuerdo a las Naciones Unidas.
Figura 5. Un espectáculo de luces mediante el uso del láser. Fuente: Pixabay.
Pero la Fotónica, la ciencia que busca controlar los fotones, experimenta hoy un auge nunca visto, contribuyendo en más una ocasión a las nuevas tecnologías y a todos los campos de la ciencia y la ingeniería.
Obviamente el objetivo de aplicación principal sigue siendo en la actualidad las telecomunicaciones: láseres, almacenamiento de datos, transmisión a través de fibra óptica y más.
Referencias
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