Los físicos de hoy interpretan la luz acudiendo a modelos corpusculares u ondulatorios. Determinadas experiencias con la luz son interpretadas de modo satisfactorio recurriendo a propiedades características de las ondas como la frecuencia, longitud de onda, intensidad, fase, polarización. Otras experiencias solo llegan a ser interpretadas de manera satisfactoria recurriendo a un modelo corpuscular en el cual la luz consta de un flujo de fotones, cada uno de ellos llevando una cierta energía y cantidad de movimiento. El modelo corpúscular se asentó con la obra de Newton a inicios del siglo XVIII. La medición de la velocidad de la luz realizada por Foucault fue un duro golpe para este modelo, a partir del cual se predecía que la luz al propagarse por un material lo haría con una velocidad mayor que la que posee en el vacío. Ya para las primeras décadas del siglo XIX el modelo ondulatorio había tomado fuerza siendo uno de sus principales exponentes el físico francés Augusto Fresnel. Los fundamentos de su formalismo, a pesar de haber sido derivado dentro del contexto erróneo de un supuesto medio etéreo en el cual se propagaba la luz, es la base del análisis de las propiedades ópticas de recubrimientos hoy en día. Este modelo ondulatorio llegó a su punto culminante con el tratado de electricidad y magnetismo por James Clerk Maxwell en 1864. Se podría haber pensado entonces que el modelo corpúscular de la luz había pasado a la historia. Pero no fue así. Hechos experimentales como el efecto fotoeléctrico, por cuya explicación recibió Einstein el premio Nobel en 1905, así como el surgimiento de la física cuántica en las primeras décadas del siglo XX dio paso a la llamada dualidad onda-partícula, ya no solo para la luz sino para todo objeto material. Así es como concebimos la luz hoy en día, dentro de esta dualidad: ciertos fenómenos ópticos pueden ser satisfactoriamente interpretados a la luz de conceptos propios de los fenómenos ondulatorios, otros requieren de una perspectiva en la cual la luz es concebida como un flujo de fotones.
Los fenómenos de reflexión, refracción, propagación en línea recta, y los evidentes colores de los objetos fueron fenómenos que llamaron la atención de griegos como Platón y Aristóteles. No fue posible para ellos llegar a una comprensión cualitativa adecuada acerca de la formación de las imágenes en nuestras retinas debido a la acción de los rayos de luz que ingresan a nuestros ojos. Una más adecuada comprensión del fenómeno de la visión se daría a partir del trabajo de Johannes Kepler en los inicios del renacimiento de la física, allá por el siglo XV.
Nuestro entorno está rodeado de fenómenos ópticos, algunos tan llamativos como la casa de los espejos, otros tan prácticos como el uso de vidrios corrugados que no permiten que los rayos de luz que los atraviesan se propaguen en forma paralela unos respecto a otros, tornándose así borrosa la imagen de los objetos. Cuando la luz incide sobre una superficie muy lisa se refleja especularmente, los espejos de nuestros hogares son buenos ejemplos de reflexión especular. Cuando la superficie se torna rugosa, la luz se refleja no solamente con una componente especular sino que también surge luz reflejada en forma difusa.
En el modelo ondulatorio de la luz, ésta es concebida como la superposición de campos eléctricos y magnéticos autosostenidos que se propagan en forma rectilínea llevando consigo energía. La intensidad de la onda es proporcional a esa energía transportada. Se le asocia a esa onda una frecuencia y una longitud de onda, siendo la luz visible aquella que corresponde a longitudes de onda entre los 400 y 700 nm. Longitudes de onda menores corresponden a la luz ultravioleta, rayos X y rayos gama. Longitudes de onda mayores corresponden a la luz infrarroja, microondas, ondas de televisión y radio.
Fue Newton quien mostró que la luz blanca es una superposición de ondas con diferentes frecuencias, pudiéndose descomponer ésta de forma artificial mediante un prisma. Sus investigaciones en óptica se recopilaron en su obra óptica aparecida en 1704, unos años después de su para entonces famosa obra Los Principia. La naturaleza nos deleita con esa descomposición espectral de la luz blanca al producir un arcoiris. La luz solar es refractada en las gotas de lluvia. Hoy en día asociamos a cada color un índice de refracción, y explicamos el diferente grado de refracción de la luz a través del prisma o de las gotas de agua diciendo que hay una dispersión cromática.
Una de las propiedades de la luz es la interferencia: al hacer incidir sobre una pantalla dos haces de luz habrá regiones de la pantalla en donde las ondas que arriban se suman constructivamente creando una intensidad mayor que la que poseen las ondas incidentes, habrán regiones de la pantalla en las cuales las ondas se suman destructivamente, pudiéndose hasta cancelar su efecto.
El hombre ha sacado mucho provecho de esta propiedad de interferencia al crear dispositivos que consisten de dos o más capas sucesivas de materiales dieléctricos, esto es, materiales que no absorben la luz, de modo que escogiendo apropiadamente los espesores de estos y sus índices de refracción se refuerza el grado en que el dispositivo como un todo refleja o transmite la luz. Ya la naturaleza conocía de antemano este efecto y tanto algunas aves, como mariposas, abejones, y peces han sacado provecho del llamado fenómeno de iridescencia.
En el caso de algunas mariposas, la composición estructural de sus alas se asemeja a una estructura laminar con sucesivas capas de material orgánico y aire, lo que explica la interferencia constructiva que se da para ciertas longitudes de onda y ángulos de visión. Los banqueros han sabido sacar provecho de este efecto para proteger sus intereses, mientras que otros se han interesado más en creas materiales antireflectantes: recubrimientos que garantizan un mejor aprovechamiento de la energía electromagnética que incide sobre un medio ya de por sí transparente. Un vidrio corriente refleja cerca del 5% de la luz que incide normalmente sobre él, al recubrirlo con un material también transparente, cuyo índice de refracción se escoge de modo que haya interferencia destructiva entre los rayos de luz reflejados, la reflexión resultante puede bajarse hasta cerca de un 1%.
Otro de los efectos ópticos que la humanidad ha sabido sacar provecho es la reflexión total interna. Cuando la luz viaja de un medio ópticamente más denso hacia uno menos denso, existe un ángulo crítico más allá del cual la luz es por completo reflejada hacia el mismo medio de propagación inicial, no hay luz transmitida hacia el medio menos denso. Las fibras ópticas utilizadas hoy en día en telecomunicaciones y en medicina (para cirugías láser y endoscopías) son reflejos del buen aprovechamiento de este fenómeno de reflexión total interna.
Otra de las propiedades de la luz es su polarización, la cual es determinada por la forma en que el campo eléctrico oscila, pudiendo hacerlo en un plano vertical, uno horizontal, o en forma más complicada. En todo caso, mediante polarizadores podemos suprimir algunas de las componentes de esa polarización reduciendo así la intensidad de la luz. Vidrios polarizados para automóviles y anteojos polarizados para protección de la luz solar son ejemplos del uso de recubrimientos que suprimen parte del grado de polarización de la luz.
Y la óptica no deja de sorprender a los físicos. Nuevas aplicaciones se siguen desarrollando, nuevos materiales que responden de manera intrigante a la luz que se les hace incidir, hasta índices de refracción negativos se reportan en la literatura reciente.
Los cristales electrónicos, aquellos en los cuales los electrones se encuentran con un medio cristalino consistente de núcleos iónicos ordenados, geométricamente dispuestos de forma que su interacción con ellos determina la existencia de bandas de energía que le son prohibidas a estos electrones, han sido la base de la revolución electrónica de la segunda mitad del siglo XX. Y de nuevo mirando a la naturaleza, a sus ópalos, el hombre se ha dado cuenta de que es posible imitar a los cristales electrónicos para obtener cristales fotónicos: arreglos periódicos de diminutas esferas hace que los fotones al propagarse a través de este tipo de material tengan bandas de frecuencia o energía que le son prohibidas.
Allá por 1926, Einstein y Heisenberg tuvieron un encuentro no muy amistoso en la Universidad de Berlín, luego de un seminario dado por Heisenberg en el cual expuso su formulación de la mecánica cuántica. "Dios no juega a los dados" le dijo Einstein a Heisenberg, aludiendo a su no aceptación de la interpretación probabilística subyacente en el formalismo de la nueva física cuántica. La argumentación de Heisenberg a la obstinada posición de Einstein resaltaba el hecho de que aún al hablar de física cuántica recurrimos al lenguaje de la física clásica para poder entendernos, al menos parcialmente. Algo semejante nos sucede hoy en día con la luz, todavía no la terminamos de comprender bien, pero es a través de ella, actuando sobre nuestros ojos, que adquirimos mayor noción de un entorno que sabemos no necesariamente lo podemos interpretar a la luz de la física clásica. Pudiendo mediar dispositivos receptores y amplificadores de señales eléctricas, y tratamiento de imágenes, lo cierto es que es la luz quien al final nos develará una imagen susceptible de analizar.
Es por medio de ella que se ha hecho realidad aquellos que para los griegos del siglo IV antes de Cristo era una utopía: ver los átomos, ver la superficie de un grano de sal a nivel atómico, percatarnos de la ausencia de un átomo que debiera estar ahí. Es a través de la luz que podemos ver la rugosidad de superficies que en primera instancia nos parecerían lisas, es la luz la que nos trae la imagen de diminutas bacterias en la punta de una aguja, la que nos hace ver distantes objetos que forman parte del Universo, aún aquellos ubicados a miles de millones de años luz. No basta conocer solo el origen de esa luz, cuáles son sus fuentes, es necesario tomar en consideración cómo se modifica hasta llegar a nosotros, el polvo galáctico puede desviar nuestra atención.
También la luz se ha visto envuelta en otros escándalos: los recientemente desarrollados métodos de enfriamiento mediante luz láser. Temperaturas de hasta 10-9 K han podido ser obtenidas favoreciéndose así la formación de los llamados condensados de Bose-Einstein.
Mucho se ha avanzado desde la Optica newtoniana, pasando por la creación del transistor y su acelerada miniaturización, pero algunos vislumbran este siglo XXI que recién iniciamos como el siglo de los circuitos fotónicos.
Nombre: Luiggi D. Escalante Sarmiento
CI. 18.878.611
Materia: EES
CI. 18.878.611
Materia: EES
Fuente: http://www.conicit.go.cr/documentos/documentos/listadocs/la_luz.html
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