Apuntes de Física: Teorías y leyes (3ª parte)

En la 2ª parte de estos Apuntes de Física sobre teorías y leyes, vimos como a finales del siglo XIX, la ciencia había concluido que la naturaleza de la luz visible (y por extensión, la de todo tipo de radiación electromagnética) era esencialmente ondulatoria. Sin embargo, no siempre se pensó así, y de hecho, tampoco en el futuro seguiría manteniéndose esta línea de opinión (no al menos completamente), dada la cantidad de evidencias que por entonces empezaban a surgir indicando lo contrario.

Durante el siglo XVII, los mayores científicos de la época parecían representar alguna de las dos principales tendencias de opinión relativas a la concepción de la luz; por una parte, el ilustre físico y matemático inglés Sir Isaac Newton (1643-1727) sería partidario de la idea de que la luz era un compuesto de pequeños corpúsculos individuales que se propagaban en línea recta. Esta teoría quedaría expuesta en su obra de 1704, Opticks, en la que daría a conocer además sus experiencias sobre la dispersión de luz blanca al pasar por un prisma o sus predicciones sobre la aberración cromática, llegando a valerse de estas últimas para inventar su versión del telescopio reflector. En esta época, la teoría corpuscular de la luz resultaba plausible porque permitía explicar ciertos fenómenos como su propagación rectilínea, la reflexión o la refracción (que veremos después). Por otra parte, científicos como el físico, matemático y astrónomo neerlandés Christiaan Huygens (1629-1695) o el multidisciplinar Robert Hooke (1635-1703), de nacionalidad inglesa, serían partidarios de una teoría ondulatoria de la luz; la elaboración de dicha teoría correría a cargo del propio Huygens, quien la expondría en su obra Traité de la lumière, mientras que Hooke se encargaría de defenderla frente a la corpuscular de Newton. Esta teoría ondulatoria de la luz, que incluía la idea del éter como medio de propagación, permitía explicar fenómenos como la reflexión, la refracción, la difracción y, más tarde, las interferencias lumínicas. Debido en parte a que los fenómenos de interferencias y difracción no habían sido demostrados empíricamente hasta el momento, y en parte también por el peso científico de la persona que lo avalaba, la teoría corpúscular de Newton acabaría imponiendose entre la comunidad científica durante algún tiempo.

A principios del siglo XIX, la naturaleza de la luz fue puesta una vez más en entredicho debido a los experimentos que una nueva generación de científicos realizara para su investigación. El físico y médico inglés Thomas Young (1773-1829) pudo demostrar, gracias a un experimento de 1801 muy célebre hoy en día, conocido como experimento de la doble rendija, que existían ciertos patrones de interferencia en una luz procedente de una fuente lejana al difractarse a su paso por dos rejillas consecutivas, hecho que correspondía a una señal emitida en forma de ondas. Otro científico, el francés Agustin Jean Fresnel (1788-1827) logró demostrar también mediante la teoría ondulatoria modificada de Huygens la posibilidad de la interferencia y la propagación rectilínea de la luz, además de ciertos patrones de difracción. En 1850, el físico francés León Foucault (1819-1868) pudo comprobar experimentalmente cómo la velocidad de la luz era menor al pasar de un medio a otro de mayor densidad, justo al contrario de cómo había predicho Newton en su defensa del fenómeno de la refracción para una teoría corpuscular. Todas estas investigaciones acabarían por impulsar a la comunidad científica a rebatir la teoría corpuscular de la luz en beneficio de una teoría ondulatoria aparentemente capaz de explicar todos los fenómenos de naturaleza lumínica. Hechos posteriores (Ver Teorías y leyes_ 2ª parte), como la publicación en 1865 de la Teoría dinámica del campo electromagnético de Maxwell, en la que el físico escocés parecía concluir que la luz debía ser un tipo de onda electromagnética al comprobar que la velocidad de esta y la de las perturbaciones electromagnéticas postuladas en su teoría eran prácticamente idénticas, o los experimentos de generación y detección de ondas de radio de Rudolph Hertz en 1888 no hicieron sino consolidar las ideas acerca de la naturaleza de la luz en ese sentido.

Y sin embargo, toda esta sucesión de hallazgos no significaría necesariamente un final para la controversia acerca de la luz. A pesar de que con la unificación teórica de Maxwell la mayoría de los fenómenos electromagnéticos quedaban explicados, restaban aún ciertas cuestiones o casos para los que la física clásica no lograba dar una respuesta satisfactoria. La primera de las cuestiones en intervenir en el camino hacia una consolidación definitiva de la teoría ondulatoria de la luz en este periodo sería la denominada radiación del cuerpo negro, un planteamiento teórico conocido desde mediados del siglo XIX y desginado así por el físico de origen prusiano Gustav Kirchhoff (1824-1887). El cuerpo negro suponía para los científicos un objeto hipotético que por tener la cualidad de absorber toda la radiación recibida era considerado como el prototipo de emisor ideal, y al que mejor podría aplicársele por tanto ciertas teorías y leyes en materia de electro y termodinámica. Concretamente, las principales leyes aplicadas al cuerpo negro serían la ley de Stefan-Boltzmann y la ley de Wien, según las cuáles, desde una perspectiva clásica, la radiación de este objeto resulta proporcional a su temperatura e inversamente proporcional además a la cuarta potencia de su longitud de onda. Sin embargo, dicha interpretación resultaba incoherente para determinados valores en la longitud de onda, pues en la medida en que esta era menor, la potencia tendía a infinito, revelándose así una falla teórica conocida hoy como catástrofe ultravioleta. Para resolver esto, el físico alemán Max Planck (1858-1947) habría de recurrir una vez más a la teoría corpuscular de la luz al concluir que la energía emitida en la radiación del cuerpo negro guardaba un valor que consistía siempre en el múltiplo entero de una constante determinada, conocida hoy como constante de Planck (6,63 x 10^-34 J/s), que esa emisión de unidades mínimas de energía se correspondía con el tipo de corpúsculos de que se componía la luz, denominados por Planck como quantum (y conocidos después como fotones), y que el número de osciladores atómicos de baja frecuencia en el cuerpo negro era muy superior al de alta frecuencia. Con todo esto, Planck no solo lograría dar una explicación de la radiación del cuerpo negro a través de una teoría corpuscular de la luz, sino que daría pie a la creación de una nueva rama propia de la física moderna conocida como física cuántica. El segundo de los escollos frente a una teoría ondulatoria de la luz vendría dado irónicamente por el descubrimiento por parte de Rudolf Hertz del efecto fotoeléctrico, justamente cuando trabajaba por demostrar empíricamente los efectos descritos en la síntesis teórica de Maxwell, partidario de aquella teoría. Este efecto, por el que un cuerpo realiza una emisión de electrones al ser iluminado por un tipo de radiación determinada, parecía contradecir los principios de la física clásica al presentar una serie de características peculiares; la emisión de electrones solo se producía cuando la frecuencia de la luz incidente superaba cierto valor mínimo (frecuencia umbral). Por encima de dicho valor, un aumento de la intensidad lumínica producía el incremento del número de electrones emitidos, pero no de su energía cinética máxima, y además, dicha emisión era proporcional a la intensidad de la radiación luminosa recibida. De acuerdo con la física clásica, el efecto fotoeléctrico debía producirse para cualquier frecuencia, siempre que la intensidad luminosa fuese lo suficientemente grande; además, la energía cinética de los electrones debería aumentar con la intensidad, hecho que no sucedía. Para el físico Albert Einstein (1879-1955), la respuesta se hallaba en la misma propuesta corpuscular que Planck utilizara para resolver el problema de la radiación del cuerpo negro; tal y como explicara en su famoso artículo en la Annalen der Physik de 1905, la existencia de una frecuencia umbral se debía a que, los fotones de luz, al incidir sobre la materia, podía arrancar los electrones de sus átomos siempre y cuando contaran con una energía mínima determinada, que por otra parte variaba según el elemento atómico que contuviera al electrón. Por otro lado, la energía extra que contuvieran los fotones servirían para imprimir energía cinética a los electrones extraídos. Así quedaba explicado por qué tanto el efecto en sí como la energía cinética de los electrones dependían únicamente de la frecuencia. El tercero de los fenómenos en consolidar la teoría corpuscular de la luz sería el efecto Compton, descubierto en 1922 por el físico estadounidense Arthur Compton (1892-1962), y consistente en el aumento de la longitud de onda de un fotón perteneciente al rango de los rayos X al chocar con un electrón libre. Este efecto sería explicado posteriormente por el propio Compton al demostrar que el aumento en la longitud de onda podría darse si la incidencia entre la radiación y la materia se entendía como choques entre corpúsculos individuales.

Finalmente, la teoría corpuscular de la luz terminaría por recuperar su posición dentro del ámbito científico; sin embargo, se reconocía aún que ciertas propiedades de la luz se explicaban de acuerdo a una teoría ondulatoria, por lo que se decidiría asumir un tipo de teoría conjunta que conciliara ambas concepciones en lo que se conoce como dualidad onda-corpúsculo; de esta forma se reconocía que la luz era una realidad física ambigua en la que tanto las ondas podían presentar un comportamiento de partícula como al contrario. El principal impulsor de esta teoría sería el físico francés Louis-Victor De Broglie (1892-1987), quien formularía su hipótesis en 1924.

Los principales fenómenos físicos asociados a la luz son la reflexión, la refracción, la difracción, las interferencias y la polarización. Todos ellos pueden ser explicados por el principio de Huygens, según el cual la dinámica de ondas se produce a través de frentes cuyos puntos actúan como focos de emisión. También resulta de interés el estudio de su velocidad, propagación y dispersión.

La reflexión es un cambio de dirección de un rayo de luz al encontrarse con la superficie de un medio distinto a aquel por el que se desplaza, regresando de esta forma a su medio inicial. Durante la reflexión es posible que parte del rayo de luz pase a propagarse por el otro medio (rayo refractado). En todo caso, en una reflexión, el rayo incidente, el rayo reflejado y el rayo refractado se encuentran en un mismo plano, denominado plano de incidencia. Además, el ángulo de incidencia y el de reflexión son iguales. Ambos hechos forman parte de lo que se conoce como ley de la reflexión. En determinadas ocasiones, cuando la superficie sobre la cual incide el rayo es lo suficientemente adecuada como para que se produzca un reflejo sin interferencias, se dice que la reflexión es especular. De lo contrario, se trata entonces de una reflexión difusa.

La refracción consiste en el cambio de dirección que experimenta un rayo de luz al pasar de un medio a otro debido a la diferencia de velocidad, siempre que incida sobre su superficie de manera oblicua. Cuando la luz se propaga por un medio transparente distinto del vacío, lo hace siempre a una velocidad menor; el cociente resultante de la división entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en un medio determinado se conoce como índice de refracción. En todo caso, el rayo refractado se acercará a la normal (vector perpendicular a la superficie del medio) con relación al incidente si la velocidad en el segundo medio es menor, de lo contrario, si la velocidad en ese medio es mayor, se alejará de dicho vector. Un cálculo del ángulo producido por el desvío de la luz durante la refracción puede realizarse a gracias a la ley de Snell.

La difracción es un fenómeno propio de la dinámica de ondas, por lo que no se incluye en la dinámica de partículas. Se dice que una onda se difracta cuando modifica su dirección de propagación al encontrarse con un obstáculo. En estos casos, la porción del frente de ondas que logra superar la barrera física se convierte en una línea de focos emisores de ondas secundarias. Si el espacio libre por el que transcurre el frente es muy grande comparado con la longitud de sus ondas, la difracción apenas será perceptible; si por el contrario la apertura y la longitud de ondas poseen dimensiones similares sí resultará relevante. Esta circunstancia determina también la geometría del nuevo frente de ondas. Debido a la acción de múltiples ondas durante la difracción, es común observar en ella patrones de interferencias; de hecho, la difracción en sí misma es considerada una forma de interferencia. Tanto para el fenómeno de la difracción como para las interferencias es aplicable otro principio propio de la dinámica de ondas conocido como principio de superposición de ondas; según dicho principio, la perturbación producida en un punto por dos o más ondas es igual a la suma algebraica de las perturbaciones producidas por cada una de las ondas de manera individual. De acuerdo con esto, y con el efecto producido por la combinación de ondas, las interferencias en un fenómeno de difracción pueden ser de tipo constructivo o destructivo, es decir, mayor o menor que el contenido en las ondas iniciales. En cualquier caso, la onda resultante de la interferencia es siempre armónica y posee la misma longitud de onda y frencuencia que las ondas originales; que uno u otro tipo de interferencia suceda dependerá más bien de la diferencia de fase entre dichas ondas (la diferencia de fase determina la mayor o menor sincronía en el movimiento de varias ondas con la misma longitud y frecuencia), o de la distancia recorrida en caso de que provengan de focos considerablemente distanciados, aunque lo más común es que se dé algún tipo de difracción intermedia. Por último, para que el fenómeno de difracción sea observable en el caso de la luz ( y en cualquier caso de interferencia de la luz en general) es necesario que la radiación procedente de los focos aislados sea coherente, es decir, que posea la misma longitud de onda y una diferencia de fase constante.

Para el resto de casos sobre interferencia de la luz bastará decir que siempre se manifestará como un patrón de claroscuros o secuencia alternada de zonas iluminadas y oscuras. Además, es también exclusivo de la dinámica de ondas.

La polarización es un fenómeno propio de las ondas transversales, es decir, las ondas electromagnéticas, por el cual el campo eléctrico de una onda oscila solo en un plano determinado, denominado plano de polarización. Tal y como vimos en la segunda parte de los apuntes, una onda electromagnética se compone por una campo eléctrico y otro magnético oscilante cuya propagación es perpendicular entre sí y perpendicular a su vez a la dirección de propagación de la onda. Desde esta perspectiva, cabría observar que el campo eléctrico ya oscila por un plano determinado; sin embargo, el efecto de la polarización es relevante para un foco de luz, generado por la radiación de múltiples átomos cuyos campos eléctricos oscilan en planos distintos. En el caso de la polarización de la luz, todos esos campos pasan a oscilar por un único plano de polarización. Algunos de los métodos para obtener luz polarizada son la absorción, la reflexión, la difusión y la birrefringencia.

En lo relativo a la velocidad de la luz, cabe resaltar los esfuerzos realizados desde al menos la época del Renacimiento para su medición; Galileo Galilei lo intentó sin éxito, convencido de que era finita. Otros científicos lograrían obtener resultados cercanos al valor conocido actualmente, 299.792.458 m/s. Es el caso del astrónomo danés Olaf Römer (1644-1710) quien se basaría para su estudio en las ocultaciones de la lunas galileanas de Júpiter, Armand Fizeau (1819-1896), un físico francés, autor de un dispositivo de rueda dentada y espejo diseñado específicamente para la medición y Albert A. Michelson (1852-1931), responsable del interferómetro.

La dispersión de la luz es el fenómeno por el cual un rayo de luz blanca se descompone en sus colores constituyentes al atravesar un cuerpo transparente, denominado dispersor. La explicación de dicho fenómeno radica en el hecho de que la luz blanca, así como cualquier haz luminoso en general, es un compuesto de ondas electromagnéticas de distintas frecuencias. Al atravesar determinados medios, la velocidad de la luz se ve afectada en función de la frecuencia de sus ondas; por esta misma razón, para esos materiales el índice de refracción aumenta con la frecuencia. El resultado de todo ello es que, al ser atravesado por la luz blanca, el medio dispersor refracta con una desviación distinta cada unos de los colores constituyentes, siendo los colores de mayor frecuencia los que más se acercan a la normal. Cabe destacar además que la desviación y el ángulo de dispersión se encuentran proporcionalmente vinculados, de manera que mientras mayor es dicho ángulo, mayor será el desvío y viceversa.

El esparcimiento de la luz es el resultado de la interacción de la radiación electromagnética con un medio cuyas partículas se encuentran notablemente separadas; en estos casos, si la frecuencia de la luz incidente no coincide con la frecuencia natural de las partículas del medio, se produce su reirradiación, esparciéndose en todas direcciones debido a la amplitud del espacio. Además, en los casos en que la longitud de onda sea superior al tamaño de las partículas del medio e inferior a su espacio de separación, se produce un caso específico de este fenómeno conocido como esparcimiento de Rayleigh (llamado así en honor del físico británico John William Strutt, tercer Barón de Rayleigh), por el cual la intensidad de luz esparcida resulta proporcional a la frecuencia elevada a la cuarta potencia. El esparcimiento de Rayleigh explica el hecho de que la luz esparcida en el aire se vea de color azul, puesto que dicho color corresponde a la radiación de mayor frecuencia dentro del espectro visible (superada solo por el violeta, para el que nuestra vista es mucho menos sensible). En el caso de las nubes o el humo, el esparcimiento de Rayleigh queda anulado debido a que el tamaño de las moléculas supera el límite por el cual el fenómeno es posible. La razón de que durante los amaneceres y atardeceres el cielo se torne rojo es que, durante esos instantes, la luz solar debe de atravesar una mayor franja de la atmósfera terrestre, por lo que el esparcimiento de luz azul alcanza su límite, dando paso al de la luz roja y otras radiaciones de menor frecuencia, con mayor alcance.

En cuanto a la transparencia, opacidad y color de los cuerpos, cabe destacar que consisten en fenómenos relacionados con la capacidad de absorción de la materia, lo que deriva a su vez en una mayor facultad de reflexión o transmisión de la luz recibida. Esta capacidad de absorción se explica por la oscilación de las partículas constituyentes de la materia, que a determinadas frecuencias asimilan la luz de una u otra forma, dando lugar a los fenómenos arriba señalados.

Ver también:

Christiaan Huygens y su concepto de materia.
Ilustraciones acerca de ciertos efectos lumínicos.
Didáctika.com – Reflexión especular y reflexión difusa.

Entradas relacionadas:

Apuntes de Física: Teorías y leyes (1ª parte)
Apuntes de Física: Teorías y leyes (2ª parte)
Apuntes de Física: Teorías y leyes (4ª parte)
Apuntes de Física: Teorías y leyes (5ª parte)
Apuntes de Física: Teorías y leyes (6ª parte)
Apuntes de Física: Teorías y leyes (7ª parte)
Apuntes de Física: Teorías y leyes (8ª parte)

Otros apuntes en Diario de un explorador:

Apuntes de Física: Los orígenes del Universo (1ª parte)

Zen: Zazen (El Canto del Dragón)

En defensa de los derechos fundamentales en Internet

Ante la inclusión en el Anteproyecto de Ley de Economía sostenible de modificaciones legislativas que afectan al libre ejercicio de las libertades de expresión, información y el derecho de acceso a la cultura a través de Internet, los periodistas, bloggers, usuarios, profesionales y creadores de internet manifestamos nuestra firme oposición al proyecto, y declaramos que:

1. Los derechos de autor no pueden situarse por encima de los derechos fundamentales de los ciudadanos, como el derecho a la privacidad, a la seguridad, a la presunción de inocencia, a la tutela judicial efectiva y a la libertad de expresión.
2. La suspensión de derechos fundamentales es y debe seguir siendo competencia exclusiva del poder judicial. Ni un cierre sin sentencia. Este anteproyecto, en contra de lo establecido en el artículo 20.5 de la Constitución, pone en manos de un órgano no judicial -un organismo dependiente del ministerio de Cultura-, la potestad de impedir a los ciudadanos españoles el acceso a cualquier página web.
3. La nueva legislación creará inseguridad jurídica en todo el sector tecnológico español, perjudicando uno de los pocos campos de desarrollo y futuro de nuestra economía, entorpeciendo la creación de empresas, introduciendo trabas a la libre competencia y ralentizando su proyección internacional.
4. La nueva legislación propuesta amenaza a los nuevos creadores y entorpece la creación cultural. Con Internet y los sucesivos avances tecnológicos se ha democratizado extraordinariamente la creación y emisión de contenidos de todo tipo, que ya no provienen prevalentemente de las industrias culturales tradicionales, sino de multitud de fuentes diferentes.
5. Los autores, como todos los trabajadores, tienen derecho a vivir de su trabajo con nuevas ideas creativas, modelos de negocio y actividades asociadas a sus creaciones. Intentar sostener con cambios legislativos a una industria obsoleta que no sabe adaptarse a este nuevo entorno no es ni justo ni realista. Si su modelo de negocio se basaba en el control de las copias de las obras y en Internet no es posible sin vulnerar derechos fundamentales, deberían buscar otro modelo.
6. Consideramos que las industrias culturales necesitan para sobrevivir alternativas modernas, eficaces, creíbles y asequibles y que se adecuen a los nuevos usos sociales, en lugar de limitaciones tan desproporcionadas como ineficaces para el fin que dicen perseguir.
7. Internet debe funcionar de forma libre y sin interferencias políticas auspiciadas por sectores que pretenden perpetuar obsoletos modelos de negocio e imposibilitar que el saber humano siga siendo libre.
8. Exigimos que el Gobierno garantice por ley la neutralidad de la Red, en España ante cualquier presión que pueda producirse, como marco para el desarrollo de una economía sostenible y realista de cara al futuro.
9. Proponemos una verdadera reforma del derecho de propiedad intelectual orientada a su fin: devolver a la sociedad el conocimiento, promover el dominio público y limitar los abusos de las entidades gestoras.
10. En democracia las leyes y sus modificaciones deben aprobarse tras el oportuno debate público y habiendo consultado previamente a todas las partes implicadas. No es de recibo que se realicen cambios legislativos que afectan a derechos fundamentales en una ley no orgánica y que versa sobre otra materia.

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