Partículas Vs Ondas
Empezando por el principio, los inicios de la investigación sobre los origenes de la luz, se remontan a los tiempos de Issac Newton, el contexto de aquellos años es que Newton y su mecánica clásica altamente determinista habían dado las respuestas que necesitábamos para entender cómo funcionaba el mundo; sin embargo, había una cosa que no tenía una respuesta concreta aún: La luz.
Según Huygens (1678), la luz es una onda. Pero, ¿qué es una onda? La definimos como el patrón de movimiento o la perturbación de alguna propiedad (campo magnético, eléctrico, …) en un medio (aire, agua, ...), la onda se propaga y transporta energía. Resaltemos que esta definición se refiere a una onda mecánica.
¿Qué más debemos saber sobre las ondas? Existen conceptos como frecuencia, amplitud y longitud de onda. El primero se refiere a las veces que la onda oscila por segundo y los siguientes dos conceptos se explican con una imagen…
Según Newton (1704), la luz son partículas. ¿Qué son las partículas? Se caracterizan por estar localizadas en el espacio y tener propiedades físicas como masa, energía y carga.
Tenemos dos propuestas, o es onda, o es partícula. Si la luz fuera una onda, sus propiedades físicas serían continuas. Mientras que, si la luz fuera un chorro de partículas, tendría propiedades discretas. Entonces, ¿continuidad o discontinuidad?, ¿se pone chido no?
Cuando decimos que la luz son ondas y, por lo tanto, es continua nos referimos a que, si la viéramos como una recta de números reales, en cualquier intervalo hay una infinidad de ellos. No existen huecos. Por otro lado, cuando se ve la luz como partículas la podemos representar como una recta de números naturales con una cantidad infinita, pero numerable.
Entonces, ¿quién tiene razón? ¿Newton o Huygens? Según los experimentos que habían hecho con los fenómenos que se conocían sobre la luz, habían llegado a la siguiente conclusión:
La reflexión sucede cuando la luz entra en contacto con una superficie que la rebota cambiándola de dirección; y tanto la teoría ondulatoria y corpuscular lo pueden explicar.
La refracción es el cambio de velocidad de propagación de la luz, es el cambio de dirección de la luz al pasar de un medio a otro; y ambas teorías lo explican.
La birrefringencia es la doble refracción de los medios anisótropos donde hay dos rayos polarizados con diferentes velocidades debido a sus índices de refracción; la teoría ondulatoria es muy complicada de explicar.
Retardo, el esquema muestra el momento en que el rayo lento, de mayor índice de refracción (en rojo), atraviesa el mineral anisótropo. El retardo es la diferencia de recorrido entre el rayo rápido (np) y el lento (ng), o lo que es lo mismo, la ventaja que saca el rayo rápido al lento durante el tiempo que tarda el rayo lento en atravesar el mineral.
Durante todo el siglo XVIII la teoría corpuscular de Newton fue aceptada sin cuestionarse demasiado, todo esto después de haberla puesto a prueba con los anteriores tres fenómenos conocidos de la luz en ese entonces…pero luego se conocieron otros más y la cosa cambió.
Thomas Young, fue famoso por su experimento de la doble rendija con el que puso en duda la teoría corpuscular de Newton, y por lo que fue también muy criticado. ¿En qué consiste el experimento de la doble rendija de Young?
Young se percató de que al hacer pasar un laser entre dos rendijas se generaría un fenómeno conocido como difracción. ¿Qué es? Sucede justamente con el experimento anterior, la reflexión de la luz dependerá de la longitud de onda y del tamaño de la rendija. La luz difractada genera bandas oscuras, claras o coloreadas. ¿Sabías que la luz genera oscuridad? Suena ilógico, pero lo que sucede es que las ondas de luz pueden interactuar de manera constructiva (o sea, cuando dos crestas o dos valles se encuentran) o de manera destructiva (o sea, cuando hay una cresta y un valle). Esto es conocido como interferencia.
La interferencia sucede cuando las ondas se sobreponen, incluso lo puedes ver haciendo ondas en un cuerpo de agua.
La luz genera oscuridad
¿Y cómo funcionaría si pensamos en la luz como partículas?
Esto no es lo que sucede con el experimento de la doble rendija de Young, sin embargo, lo anterior no fue suficiente para enterrar la teoría de Newton. En 1818 la Academia de Ciencias de Francia organiza un concurso sobre las propiedades paradójicas de la luz, donde el físico Augustin Fresnel participa con una propuesta basada en la teoría ondulatoria.
En el jurado se encontraba Siméon Denis Poisson, partidario de las partículas, y concluyó que, si la teoría que proponía Fresnel era cierta, debería verse un punto en el centro de la sombra de un disco perfectamente circular.
Poisson no logró hallar dicho punto, pero François Arago sí. ¿Por qué pasa? Este es otro fenómeno ondulatorio conocido como difracción. Se refiere a que las ondas rodean al objeto, hacen una curvatura alrededor del obstáculo o atraviesan una abertura y ocurren siempre que son obstruidas de alguna manera. Y podemos verla así…
Entonces, ahora sabemos que los fenómenos conocidos de la luz son la reflexión, la refracción, la birrefringencia, la interferencia y la difracción, siendo las dos últimas solo explicadas por la teoría ondulatoria. La luz es una onda.
Ni Huygens ni Fresnel ni Young ni los otros científicos que apoyaron la teoría ondulatoria tenían toda la razón, espera la segunda parte...
Referencias:
Eguibar, F. S. (2023, Julio). La Revolición Cuántica. [Diapositivas de PowerPoint]. Grupo de Óptica Cuántica del Departamento de Óptica del INAOE.
Gil-Crespo, P. P. (2009, Diciembre). Fenómenos de interferencia y birrefringencia. Retrieved 08 06, 2023, from Atlas de Mineralogía Óptica: https://www.ehu.eus/mineralogiaoptica/fenomenos-de-interferencia-y-birrefringencia.html
Marín, P. (2022, marzo 29). Qué es la difracción de la luz. Retrieved from Iluminet: https://iluminet.com/que-es-la-difraccion-de-la-luz/
Plaza Cielo Tierra. (2022, junio 6). El Punto de Luz de Poisson. Retrieved from Plaza Cielo Tierra: https://www.plazacielotierra.org/el-punto-de-luz-de-poisson/
SantoPietro., D. (n.d.). Introducción al experimento de la doble rendija de Young. Retrieved from Khan Academy: https://es.khanacademy.org/science/physics/light-waves/interference-of-light-waves/v/youngs-double-split-part-1
Katia Cruz González, humilde estudiante de la Preparatoria Emiliano Zapata, experta en albur, con la pata chueca y, posiblemente, el pie plano. En busca de su ser amado, con un interés en debates sociales y cosas que le cuestan comprender. ‘’ ¿Cómo que por qué corro así, profe? ‘’
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