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Luz

Un prisma triangular dispersa un haz de luz blanca. Se separan las longitudes de onda más largas (rojas) y las más cortas (verde-azul). La luz , luz visible o radiación visible ...

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Un prisma triangular dispersa un haz de luz blanca. Se separan las longitudes de onda más largas (rojas) y las más cortas (verde-azul).

La luz , luz visible o radiación visible es radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano . [ 1 ] [ 2 ] La luz visible abarca el espectro visible y generalmente se define como aquella con longitudes de onda en el rango de 400 a 700 nanómetros (nm), que corresponden a frecuencias de 750 a 420 terahercios . La banda visible se encuentra adyacente al infrarrojo (con longitudes de onda más largas y frecuencias más bajas) y al ultravioleta (con longitudes de onda más cortas y frecuencias más altas), denominados colectivamente radiación óptica . [ 3 ] [ 4 ]

En física , el término «luz» puede referirse de forma más amplia a la radiación electromagnética de cualquier longitud de onda, sea visible o no. [ 5 ] [ 6 ] En este sentido, los rayos gamma , los rayos X , las microondas y las ondas de radio también son luz. Por eso, la radiación visible se denomina comúnmente luz visible. [ 7 ] [ 8 ]

Las propiedades primarias de la luz son la intensidad , la dirección de propagación, el espectro de frecuencia o longitud de onda y la polarización . Su velocidad en el vacío ,299 792 458  m/s , es una de las constantes fundamentales de la naturaleza. [ 9 ] Toda radiación electromagnética exhibe algunas propiedades tanto de partículas como de ondas . Las partículas elementales individuales y sin masa, o cuantos , de luz llamadas fotones pueden detectarse con equipo especializado; fenómenos como la interferencia se describen mediante ondas. La mayoría de las interacciones cotidianas con la luz pueden entenderse utilizando la óptica geométrica . La óptica cuántica es un área de investigación importante en la física moderna .

La principal fuente de luz natural en la Tierra es el Sol . Históricamente, otra fuente importante de luz para los humanos ha sido el fuego , desde las antiguas hogueras hasta las modernas lámparas de queroseno . Con el desarrollo de la iluminación eléctrica y los sistemas de energía , la iluminación eléctrica ha reemplazado eficazmente la luz del fuego.

Espectro electromagnético y luz visible

El espectro electromagnético , con la porción visible resaltada. El gráfico inferior (espectro visible) muestra la longitud de onda en nanómetros (nm).

Generalmente, la radiación electromagnética (REM) se clasifica por longitud de onda en ondas de radio , microondas , infrarrojos , el espectro visible que percibimos como luz, ultravioleta , rayos X y rayos gamma . La denominación " radiación " excluye la estática eléctrica , magnética y los campos cercanos .

El comportamiento de la radiación electromagnética (REM) depende de su longitud de onda. Las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas y las frecuencias más bajas tienen longitudes de onda más largas. Cuando la REM interactúa con átomos y moléculas individuales, su comportamiento depende de la cantidad de energía por cuanto que transporta.

La radiación electromagnética (REM) en la región de la luz visible consiste en cuantos (llamados fotones ) que se encuentran en el extremo inferior del rango de energías capaces de provocar excitación electrónica en las moléculas, lo que conlleva cambios en los enlaces o la química de la molécula. En el extremo inferior del espectro de luz visible, la REM se vuelve invisible para los humanos (infrarroja) porque sus fotones ya no tienen la energía individual suficiente para causar un cambio molecular duradero (un cambio de conformación) en la molécula visual retinal en la retina humana, cambio que desencadena la sensación de visión.

Existen animales sensibles a diversos tipos de infrarrojos, pero no mediante absorción cuántica. La percepción infrarroja en las serpientes se basa en una especie de termografía natural , en la que diminutas bolsas de agua celular aumentan de temperatura por la radiación infrarroja. La radiación electromagnética en este rango provoca vibraciones moleculares y efectos de calentamiento, que es como estos animales la detectan.

Por encima del rango de frecuencias de la luz visible, la luz ultravioleta se vuelve invisible para los humanos, principalmente porque es absorbida por la córnea con longitudes de onda inferiores a 360 nm y por el cristalino con longitudes de onda inferiores a 400  nm. Además, los bastones y conos ubicados en la retina del ojo humano no pueden detectar las  longitudes de onda ultravioleta muy cortas (inferiores a 360 nm) y, de hecho, resultan dañados por la radiación ultravioleta. Muchos animales con ojos que no requieren cristalino (como insectos y camarones) son capaces de detectar la luz ultravioleta mediante mecanismos de absorción cuántica de fotones, de forma muy similar a como los humanos detectan la luz visible.

Varias fuentes definen la luz visible desde un rango tan estrecho como 420–680  nm [ 10 ] [ 11 ] hasta uno tan amplio como 380–800  nm. [ 12 ] [ 13 ] En condiciones ideales de laboratorio, las personas pueden ver infrarrojo hasta al menos 1050  nm; [ 14 ] los niños y los adultos jóvenes pueden percibir longitudes de onda ultravioleta hasta aproximadamente 310–313  nm. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

El crecimiento de las plantas también se ve afectado por el espectro de color de la luz, un proceso conocido como fotomorfogénesis .

Velocidad de la luz

Rayo de luz solar en el interior de la cavidad de Rocca ill'Abissu en Fondachelli-Fantina , Sicilia.

La velocidad de la luz en el vacío se define como exactamente299 792 458  m/s (aproximadamente 186 282 millas por segundo). El valor fijo de la velocidad de la luz en el Sistema Internacional de Unidades (SI) se debe a que el metro se define ahora en función de la velocidad de la luz. Todas las formas de radiación electromagnética se mueven exactamente a esta misma velocidad en el vacío.

Diferentes físicos han intentado medir la velocidad de la luz a lo largo de la historia. Galileo intentó medir la velocidad de la luz en el siglo XVII. Un experimento temprano para medir la velocidad de la luz fue realizado por Ole Rømer , un físico danés, en 1676. Usando un telescopio , Rømer observó los movimientos de Júpiter y una de sus lunas , Io . Al notar discrepancias en el período aparente de la órbita de Io, calculó que la luz tarda aproximadamente 22 minutos en recorrer el diámetro de la órbita de la Tierra. [ 18 ] Sin embargo, su tamaño no se conocía en ese momento. Si Rømer hubiera conocido el diámetro de la órbita de la Tierra, habría calculado una velocidad de227 000 000  m/s .

Otra medición más precisa de la velocidad de la luz fue realizada en Europa por Hippolyte Fizeau en 1849. [ 19 ] Fizeau dirigió un haz de luz hacia un espejo situado a varios kilómetros de distancia. Se colocó una rueda dentada giratoria en la trayectoria del haz de luz mientras viajaba desde la fuente, hasta el espejo y luego regresaba a su origen. Fizeau descubrió que, a cierta velocidad de rotación, el haz pasaría por un hueco de la rueda en el camino de ida y por el siguiente hueco en el camino de vuelta. Conociendo la distancia al espejo, el número de dientes de la rueda y la velocidad de rotación, Fizeau pudo calcular la velocidad de la luz como313 000 000  m/s .

Léon Foucault llevó a cabo un experimento que utilizó espejos giratorios para obtener un valor de298 000 000  m/s [ 19 ] en 1862. Albert A. Michelson realizó experimentos sobre la velocidad de la luz desde 1877 hasta su muerte en 1931. Refinó los métodos de Foucault en 1926 utilizando espejos giratorios mejorados para medir el tiempo que tardaba la luz en hacer un viaje de ida y vuelta desde el Monte Wilson hasta el Monte San Antonio en California. Las mediciones precisas arrojaron una velocidad de299 796 000  m/s . [ 20 ]

La velocidad efectiva de la luz en diversas sustancias transparentes que contienen materia ordinaria es menor que en el vacío. Por ejemplo, la velocidad de la luz en el agua es aproximadamente 3/4 de la que tiene en el vacío.

Se dice que dos equipos independientes de físicos lograron detener la luz por completo al hacerla pasar a través de un condensado de Bose-Einstein del rubidio ; un equipo pertenecía a la Universidad de Harvard y al Instituto Rowland para la Ciencia en Cambridge, Massachusetts, y el otro al Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica , también en Cambridge. [ 21 ] Sin embargo, la descripción popular de la luz "detenida" en estos experimentos se refiere únicamente a que la luz se almacena en los estados excitados de los átomos y luego se reemite en un momento posterior arbitrario, estimulada por un segundo pulso láser. Durante el tiempo que estuvo "detenida", dejó de ser luz.

Óptica

El estudio de la luz y la interacción entre la luz y la materia se denomina óptica . La óptica presenta diferentes formas, adecuadas a distintas circunstancias. La óptica geométrica , apropiada para comprender objetos como ojos, lentes, cámaras, fibra óptica y espejos, funciona bien cuando la longitud de onda de la luz es pequeña en comparación con los objetos con los que interactúa. La óptica física incorpora las propiedades ondulatorias y es necesaria para comprender la difracción y la interferencia. La óptica cuántica se aplica al estudio de fotones individuales que interactúan con la materia. [ 22 ] : 33

Dispersión superficial

Un objeto transparente permite que la luz se transmita o atraviese. Por el contrario, un objeto opaco no permite que la luz se transmita, sino que refleja o absorbe la luz que recibe. La mayoría de los objetos no reflejan ni transmiten la luz de forma especular y, en cierta medida, dispersan la luz incidente, lo que se denomina brillo . La dispersión superficial se debe a la rugosidad de las superficies reflectantes, y la dispersión interna se debe a la diferencia del índice de refracción entre las partículas y el medio dentro del objeto. Al igual que los objetos transparentes, los objetos translúcidos permiten que la luz se transmita, pero también dispersan ciertas longitudes de onda de luz mediante la dispersión interna. [ 23 ]

Refracción

Debido a la refracción, la pajita sumergida en agua aparece doblada y la escala de la regla comprimida cuando se observa desde un ángulo poco profundo.

La refracción es la desviación de los rayos de luz al pasar a través de una superficie entre dos materiales transparentes. Se describe mediante la Ley de Snell :

norte1pecado⁡θ1=norte2pecado⁡θ2{\ Displaystyle n_ {1} \ sin \ theta _ {1} = n_ {2} \ sin \ theta _ {2}}

donde θ 1 es el ángulo entre el rayo y la normal de la superficie en el primer medio, θ 2 es el ángulo entre el rayo y la normal de la superficie en el segundo medio y n 1 y n 2 son los índices de refracción , n = 1 en el vacío y n > 1 en una sustancia transparente .

Cuando un haz de luz atraviesa el límite entre el vacío y otro medio, o entre dos medios diferentes, su longitud de onda cambia, pero su frecuencia permanece constante. Si el haz no es ortogonal (o perpendicular) al límite, el cambio en la longitud de onda produce un cambio en su dirección. Este cambio de dirección se conoce como refracción .

La capacidad refractiva de las lentes se utiliza frecuentemente para manipular la luz y así modificar el tamaño aparente de las imágenes. Las lupas , las gafas , las lentes de contacto , los microscopios y los telescopios refractores son ejemplos de esta manipulación.

Fuentes de luz

Hay muchas fuentes de luz. Un cuerpo a una temperatura dada emite un espectro característico de radiación de cuerpo negro . Una fuente térmica simple es la luz solar , la radiación emitida por la cromosfera del Sol a unos 6000 K (5730 °C ; 10340 °F ) . La radiación solar alcanza su máximo en la región visible del espectro electromagnético cuando se representa en unidades de longitud de onda, [ 24 ] y aproximadamente el 44 % de la radiación que llega al suelo es visible. [ 25 ] Otro ejemplo son las bombillas incandescentes , que emiten solo alrededor del 10 % de su energía como luz visible y el resto como infrarrojo. Una fuente común de luz térmica en la historia son las partículas sólidas brillantes en las llamas , pero estas también emiten la mayor parte de su radiación en el infrarrojo y solo una fracción en el espectro visible.   

El pico del espectro de cuerpo negro se encuentra en el infrarrojo profundo, a una longitud de onda de aproximadamente 10 micrómetros , para objetos relativamente fríos como los seres humanos. A medida que aumenta la temperatura, el pico se desplaza hacia longitudes de onda más cortas, produciendo primero un brillo rojo, luego uno blanco y finalmente un color blanco azulado a medida que el pico se aleja de la parte visible del espectro y entra en el ultravioleta. Estos colores se pueden observar cuando el metal se calienta al rojo vivo o al blanco caliente. La emisión térmica blanco azulada no se observa con frecuencia, excepto en las estrellas (el color azul puro que se ve comúnmente en una llama de gas o en un soplete de soldador se debe, de hecho, a la emisión molecular, en particular de radicales CH que emiten una banda de longitud de onda alrededor de 425  nm y no se observa en las estrellas ni en la radiación térmica pura).

Los átomos emiten y absorben luz a energías características. Esto produce " líneas de emisión " en el espectro de cada átomo. La emisión puede ser espontánea , como en los diodos emisores de luz , las lámparas de descarga de gas (como las lámparas y letreros de neón , las lámparas de vapor de mercurio , etc.) y las llamas (luz del propio gas caliente; por ejemplo, el sodio en una llama de gas emite una luz amarilla característica). La emisión también puede ser estimulada , como en un láser o un máser de microondas .

La desaceleración de una partícula cargada libre, como un electrón , puede producir radiación visible: la radiación ciclotrónica , la radiación sincrotrónica y la radiación de frenado son ejemplos de ello. Las partículas que se mueven a través de un medio a una velocidad superior a la de la luz en dicho medio pueden producir radiación Cherenkov visible . Ciertas sustancias químicas producen radiación visible por quimioluminiscencia . En los seres vivos, este proceso se denomina bioluminiscencia . Por ejemplo, las luciérnagas producen luz por este medio y los barcos que se desplazan por el agua pueden perturbar el plancton, que produce una estela luminosa.

Ciertas sustancias producen luz al ser iluminadas por radiación más energética, un proceso conocido como fluorescencia . Algunas sustancias emiten luz lentamente tras ser excitadas por radiación más energética. Esto se conoce como fosforescencia . Los materiales fosforescentes también pueden excitarse bombardeándolos con partículas subatómicas. La catodoluminiscencia es un ejemplo. Este mecanismo se utiliza en televisores de tubo de rayos catódicos y monitores de ordenador .

Hong Kong iluminado por colorida iluminación artificial

Existen otros mecanismos que pueden producir luz:

Cuando el concepto de luz incluye fotones de muy alta energía (rayos gamma), los mecanismos de generación adicionales incluyen:

Medición

La luz se mide con dos conjuntos principales de unidades: la radiometría consiste en medir la potencia lumínica en todas las longitudes de onda, mientras que la fotometría mide la luz ponderando la longitud de onda según un modelo estandarizado de percepción del brillo humano. La fotometría es útil, por ejemplo, para cuantificar la iluminación destinada al uso humano.

Las unidades fotométricas se diferencian de la mayoría de los sistemas de unidades físicas en que consideran cómo responde el ojo humano a la luz. Las células cono del ojo humano son de tres tipos que responden de manera diferente en todo el espectro visible, y la respuesta acumulativa alcanza su máximo en una longitud de onda de alrededor de 555  nm. Por lo tanto, dos fuentes de luz que producen la misma intensidad (W/m² ) de luz visible no necesariamente parecen igual de brillantes. Las unidades fotométricas están diseñadas para tener esto en cuenta y, por lo tanto, representan mejor la "brillo" aparente de una luz que la intensidad bruta. Se relacionan con la potencia bruta mediante una magnitud llamada eficacia luminosa y se utilizan para determinar la mejor manera de lograr una iluminación suficiente para diversas tareas en interiores y exteriores. La iluminación medida por un sensor de fotocélula no necesariamente corresponde a lo que percibe el ojo humano y, sin filtros (que pueden ser costosos), las fotocélulas y los dispositivos de carga acoplada (CCD) tienden a responder a la radiación infrarroja , ultravioleta o ambas.

Presión ligera

La luz ejerce presión física sobre los objetos en su trayectoria, un fenómeno que puede deducirse mediante las ecuaciones de Maxwell , pero que se explica más fácilmente por la naturaleza corpuscular de la luz: los fotones chocan y transfieren su momento. La presión de la luz es igual a la potencia del haz de luz dividida por c , la velocidad de la luz.  Debido a la magnitud de c , el efecto de la presión de la luz es despreciable para los objetos cotidianos. Por ejemplo, un puntero láser  de un milivatio ejerce una fuerza de aproximadamente 3,3 piconewtons sobre el objeto iluminado; por lo tanto, se podría levantar una moneda de un centavo estadounidense con punteros láser, pero para ello se necesitarían unos 30 mil millones de punteros láser de 1 mW. [ 26 ] Sin embargo, en aplicaciones a escala nanométrica, como los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS), el efecto de la presión de la luz es más significativo, y su aprovechamiento para accionar mecanismos NEMS y para activar interruptores físicos a escala nanométrica en circuitos integrados es un área de investigación activa. [ 27 ] A escalas mayores, la presión de la luz puede hacer que los asteroides giren más rápido, [ 28 ] actuando sobre sus formas irregulares como sobre las aspas de un molino de viento . También se está investigando la posibilidad de fabricar velas solares que acelerarían las naves espaciales en el espacio. [ 29 ] [ 30 ]   

Aunque el movimiento del radiómetro de Crookes se atribuyó originalmente a la presión de la luz, esta interpretación es incorrecta; la rotación característica de Crookes es el resultado de un vacío parcial. [ 31 ] Esto no debe confundirse con el radiómetro de Nichols , en el que el movimiento (leve) causado por el torque (aunque no suficiente para una rotación completa contra la fricción) es causado directamente por la presión de la luz. [ 32 ] Como consecuencia de la presión de la luz, Einstein predijo en 1909 la existencia de la "fricción de radiación", que se opondría al movimiento de la materia. [ 33 ] Escribió: «La radiación ejercerá presión en ambos lados de la placa. Las fuerzas de presión ejercidas en ambos lados son iguales si la placa está en reposo. Sin embargo, si está en movimiento, se reflejará más radiación en la superficie que se encuentra delante (superficie frontal) que en la superficie posterior. Por lo tanto, la fuerza de presión que actúa hacia atrás sobre la superficie frontal es mayor que la fuerza de presión que actúa sobre la posterior. En consecuencia, como resultante de ambas fuerzas, queda una fuerza que contrarresta el movimiento de la placa y que aumenta con su velocidad. A esta resultante la llamaremos brevemente "fricción por radiación"».

Por lo general, el momento de la luz está alineado con su dirección de movimiento. Sin embargo, por ejemplo, en las ondas evanescentes el momento es transversal a la dirección de propagación. [ 34 ]

Teorías históricas sobre la luz, en orden cronológico

Grecia clásica y el helenismo

En el siglo V a. C., Empédocles postuló que todo estaba compuesto de cuatro elementos : fuego, aire, tierra y agua. Creía que la diosa Afrodita creó el ojo humano a partir de estos cuatro elementos y que encendió el fuego en él, el cual irradiaba luz y hacía posible la visión. Si esto fuera cierto, se podría ver de noche tan bien como de día, por lo que Empédocles postuló una interacción entre los rayos de los ojos y los rayos de una fuente como el sol. [ 35 ]

Hacia el año 300 a. C., Euclides escribió Óptica , en la que estudió las propiedades de la luz. Euclides postuló que la luz viajaba en línea recta y describió las leyes de la reflexión, estudiándolas matemáticamente. Cuestionó que la visión sea el resultado de un haz de luz proveniente del ojo, pues se pregunta cómo se ven las estrellas inmediatamente si uno cierra los ojos y luego los abre por la noche. Si el haz de luz viaja a velocidad infinita, esto no representa un problema. [ 36 ]

En el año 55 a. C., Lucrecio , un romano que continuó las ideas de los atomistas griegos anteriores , escribió que «La luz y el calor del sol están compuestos de átomos minúsculos que, al ser expulsados, se desplazan rápidamente a través del espacio aéreo en la dirección indicada por el impulso» (de Sobre la naturaleza del universo ). A pesar de su similitud con teorías de partículas posteriores, las ideas de Lucrecio no fueron generalmente aceptadas. Ptolomeo (siglo II d. C.) escribió sobre la refracción de la luz en su libro Óptica . [ 37 ]

India clásica

En la antigua India , las escuelas hindúes Samkhya y Vaisheshika , desde los primeros siglos d. C., desarrollaron teorías sobre la luz. Según la escuela Samkhya, la luz es uno de los cinco elementos fundamentales "sutiles" ( tanmatra ) de los cuales surgen los elementos burdos. No se menciona específicamente la atomicidad de estos elementos y parece que se consideraban continuos. [ 38 ] El Vishnu Purana se refiere a la luz solar como "los siete rayos del sol". [ 38 ]

Los budistas indios , como Dignāga en el siglo V y Dharmakirti en el siglo VII, desarrollaron un tipo de atomismo, una filosofía que postula que la realidad está compuesta de entidades atómicas, destellos momentáneos de luz o energía. Consideraban la luz como una entidad atómica equivalente a la energía. [ 38 ]

Descartes

René Descartes (1596-1650) sostenía que la luz era una propiedad mecánica del cuerpo luminoso, rechazando las "formas" de Ibn al-Haytham y Witelo , así como las "especies" de Roger Bacon , Robert Grosseteste y Johannes Kepler . [ 39 ] En 1637 publicó una teoría de la refracción de la luz que asumía, erróneamente, que la luz viajaba más rápido en un medio más denso que en uno menos denso. Descartes llegó a esta conclusión por analogía con el comportamiento de las ondas sonoras. Aunque Descartes se equivocó respecto a las velocidades relativas, acertó al suponer que la luz se comportaba como una onda y al concluir que la refracción podía explicarse por la velocidad de la luz en diferentes medios.

Descartes no fue el primero en utilizar analogías mecánicas, pero debido a que afirma claramente que la luz es solo una propiedad mecánica del cuerpo luminoso y del medio transmisor, la teoría de la luz de Descartes se considera el inicio de la óptica física moderna. [ 39 ]

Teoría de partículas

Pierre Gassendi

Pierre Gassendi (1592-1655), atomista, propuso una teoría corpuscular de la luz que se publicó póstumamente en la década de 1660. Isaac Newton estudió la obra de Gassendi a temprana edad y prefirió su visión a la teoría del plenum de Descartes. En su Hipótesis de la Luz de 1675, afirmó que la luz estaba compuesta de corpúsculos (partículas de materia) que se emitían en todas direcciones desde una fuente. Uno de los argumentos de Newton contra la naturaleza ondulatoria de la luz era que se sabía que las ondas se curvaban alrededor de los obstáculos, mientras que la luz viajaba solo en línea recta. Sin embargo, explicó el fenómeno de la difracción de la luz (observado por Francesco Grimaldi ) al admitir que una partícula de luz podía crear una onda localizada en el éter .

La teoría de Newton podía utilizarse para predecir la reflexión de la luz, pero solo explicaba la refracción asumiendo erróneamente que la luz se aceleraba al entrar en un medio más denso debido a la mayor atracción gravitatoria . Newton publicó la versión final de su teoría en su obra Óptica de 1704. Su reputación contribuyó a que la teoría corpuscular de la luz prevaleciera durante el siglo XVIII. Esta teoría llevó a Pierre-Simon Laplace a argumentar que un cuerpo podía ser tan masivo que la luz no podía escapar de él. En otras palabras, se convertiría en lo que hoy se conoce como un agujero negro . Laplace retiró su sugerencia posteriormente, una vez que la teoría ondulatoria de la luz se consolidó como el modelo para la luz (como se ha explicado, ni la teoría corpuscular ni la ondulatoria son completamente correctas). Una traducción del ensayo de Newton sobre la luz aparece en La estructura a gran escala del espacio-tiempo , de Stephen Hawking y George FR Ellis .

La polarización de la luz fue explicada cualitativamente por primera vez por Newton mediante la teoría de partículas. En 1810, Étienne-Louis Malus desarrolló una teoría matemática de partículas sobre la polarización. En 1812 , Jean-Baptiste Biot demostró que esta teoría explicaba todos los fenómenos conocidos de polarización de la luz. En aquel entonces, la polarización se consideraba la prueba de la teoría de partículas.

teoría ondulatoria

Para explicar el origen de los colores , Robert Hooke (1635–1703) desarrolló una "teoría del pulso" y comparó la propagación de la luz con la de las ondas en el agua en su obra de 1665 Micrographia ("Observación IX"). En 1672, Hooke sugirió que las vibraciones de la luz podrían ser perpendiculares a la dirección de propagación. Christiaan Huygens (1629–1695) elaboró ​​una teoría ondulatoria matemática de la luz en 1678 y la publicó en su Tratado sobre la luz en 1690. Propuso que la luz se emitía en todas direcciones como una serie de ondas en un medio llamado éter luminífero . Como las ondas no se ven afectadas por la gravedad, se asumió que se ralentizaban al entrar en un medio más denso. [ 40 ] Otro defensor de la teoría ondulatoria fue Leonhard Euler . Argumentó en Nova Theoria lucis et colorum (1746) que la difracción podría explicarse más fácilmente mediante una teoría ondulatoria.

Christiaan Huygens
Boceto de Thomas Young de olas de agua que muestran difracción [ 41 ]

La teoría ondulatoria predijo que las ondas de luz podrían interferir entre sí como las ondas sonoras (como señaló Thomas Young alrededor de 1800 ). Young demostró mediante numerosos experimentos de difracción que la luz se comportaba como ondas. [ 42 ] : 101 Enunció públicamente por primera vez su "ley general" de interferencia en enero de 1802, en su libro A Syllabus of a Course of Lectures on Natural and Experimental Philosophy : [ 43 ]

Pero la ley general que rige todas estas apariencias puede deducirse fácilmente de la interferencia de dos ondulaciones coincidentes, que cooperan o se anulan mutuamente, del mismo modo que dos notas musicales producen una alternancia de intensión y remisión en el latido de un unísono imperfecto. [ 44 ]

También propuso que los diferentes colores eran causados ​​por diferentes longitudes de onda de luz y explicó la visión del color en términos de receptores tricolores en el ojo.

En 1816, André-Marie Ampère le dio a Augustin-Jean Fresnel la idea de que la polarización de la luz puede explicarse mediante la teoría ondulatoria si la luz fuera una onda transversal . [ 45 ] Posteriormente, Fresnel desarrolló de forma independiente su propia teoría ondulatoria de la luz y la presentó a la Academia de Ciencias en 1817. Siméon Denis Poisson desafió el modelo de Fresnel, afirmando que predecía un punto brillante en la sombra detrás de un obstáculo circular, contrario al sentido común. Dominique-François-Jean Arago creó un experimento que mostró el punto brillante : el desafío de Poisson se convirtió en una nueva evidencia para la teoría ondulatoria. [ 42 ] : 109 En 1818, Young escribió a Arago sugiriendo que la luz debe ser ondas transversales, no las ondas longitudinales características del sonido. Fresnel retomó la idea y pudo demostrar mediante métodos matemáticos que la polarización podía explicarse mediante una teoría ondulatoria transversal de la luz sin vibración longitudinal. [ 42 ] : 115

La debilidad de la teoría ondulatoria radicaba en que las ondas de luz, al igual que las ondas sonoras, necesitarían un medio para su transmisión. La existencia de la hipotética sustancia éter luminífero propuesta por Huygens en 1678 fue puesta en seria duda a finales del siglo XIX por el experimento de Michelson-Morley .

La teoría corpuscular de Newton implicaba que la luz viajaría más rápido en un medio más denso, mientras que la teoría ondulatoria de Huygens y otros implicaba lo contrario. En aquel entonces, la velocidad de la luz no podía medirse con la precisión suficiente para determinar qué teoría era la correcta. El primero en realizar una medición suficientemente precisa fue Léon Foucault , en 1850. [ 46 ] Su resultado apoyó la teoría ondulatoria, y la teoría clásica de partículas fue finalmente abandonada (para luego resurgir parcialmente en el siglo XX como fotones en la teoría cuántica ).

Teoría electromagnética

Una onda electromagnética polarizada linealmente que viaja a lo largo del eje z, donde E denota el campo eléctrico y B perpendicular denota el campo magnético.

En 1845, Michael Faraday descubrió que el plano de polarización de la luz polarizada linealmente gira cuando los rayos de luz viajan en la dirección del campo magnético en presencia de un dieléctrico transparente , un efecto conocido como rotación de Faraday . [ 47 ] Esta fue la primera evidencia de que la luz estaba relacionada con el electromagnetismo . En 1846, especuló que la luz podría ser algún tipo de perturbación que se propaga a lo largo de las líneas del campo magnético. [ 47 ] Faraday propuso en 1847 que la luz era una vibración electromagnética de alta frecuencia, que podía propagarse incluso en ausencia de un medio como el éter. [ 48 ]

El trabajo de Faraday inspiró a James Clerk Maxwell a estudiar la radiación electromagnética y la luz. Maxwell descubrió que las ondas electromagnéticas autopropagantes viajaban por el espacio a una velocidad constante, que coincidía con la velocidad de la luz medida previamente. A partir de esto, Maxwell concluyó que la luz era una forma de radiación electromagnética: enunció este resultado por primera vez en 1862 en su obra Sobre las líneas físicas de fuerza . En 1873, publicó Un tratado sobre electricidad y magnetismo , que contenía una descripción matemática completa del comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos, aún conocida como las ecuaciones de Maxwell . Poco después, Heinrich Hertz confirmó experimentalmente la teoría de Maxwell al generar y detectar ondas de radio en el laboratorio y demostrar que estas ondas se comportaban exactamente como la luz visible, exhibiendo propiedades como reflexión, refracción, difracción e interferencia . La teoría de Maxwell y los experimentos de Hertz condujeron directamente al desarrollo de la radio, el radar, la televisión, la imagen electromagnética y las comunicaciones inalámbricas modernas.

En la teoría cuántica, los fotones se consideran paquetes de ondas de las ondas descritas en la teoría clásica de Maxwell. La teoría cuántica fue necesaria para explicar efectos, incluso con luz visible, que la teoría clásica de Maxwell no podía explicar (como las líneas espectrales ).

Teoría cuántica

En 1900, Max Planck , al intentar explicar la radiación del cuerpo negro , sugirió que, si bien la luz era una onda, estas ondas solo podían ganar o perder energía en cantidades finitas relacionadas con su frecuencia. Planck denominó a estos "grupos" de energía luminosa " cuantos" (del latín "quanta ", que significa "cuánto"). En 1905, Albert Einstein utilizó la idea de los cuantos de luz para explicar el efecto fotoeléctrico y sugirió que estos cuantos de luz tenían una existencia "real". En 1923, Arthur Holly Compton demostró que el desplazamiento de longitud de onda observado cuando los rayos X de baja intensidad se dispersaban por los electrones (la llamada dispersión Compton ) podía explicarse mediante una teoría corpuscular de los rayos X, pero no mediante una teoría ondulatoria. En 1926, Gilbert N. Lewis denominó a estas partículas de cuantos de luz fotones . [ 49 ]

Con el tiempo, la mecánica cuántica llegó a concebir la luz como (en cierto sentido) partícula y onda, y (en otro sentido) como un fenómeno que no es ni partícula ni onda (que en realidad son fenómenos macroscópicos, como las pelotas de béisbol o las olas del mar). En cambio, bajo ciertas aproximaciones, la luz puede describirse a veces con matemáticas apropiadas para un tipo de metáfora macroscópica (partículas) y otras veces con otra (ondas).

Al igual que ocurre con las ondas de radio y los rayos X implicados en la dispersión Compton, los físicos han observado que la radiación electromagnética tiende a comportarse más como una onda clásica a bajas frecuencias, pero más como una partícula clásica a altas frecuencias, aunque nunca pierde por completo las características de una u otra. La luz visible, que ocupa un punto intermedio en frecuencia, puede describirse fácilmente mediante experimentos utilizando un modelo de onda o de partícula, o a veces ambos.

Entre 1924 y 1925, Satyendra Nath Bose demostró que la luz seguía una estadística diferente a la de las partículas clásicas. Junto con Einstein, generalizó este resultado para un conjunto completo de partículas de espín entero llamadas bosones (en honor a Bose), que siguen la estadística de Bose-Einstein . El fotón es un bosón sin masa de espín 1.

En 1927, Paul Dirac cuantizó el campo electromagnético . Pascual Jordan y Vladimir Fock generalizaron este proceso para tratar los sistemas de muchos cuerpos como excitaciones de campos cuánticos, un proceso que erróneamente se denominó segunda cuantización . Y a finales de la década de 1940 se desarrolló una teoría completa de la electrodinámica cuántica utilizando campos cuánticos, basada en los trabajos de Julian Schwinger , Richard Feynman , Freeman Dyson y Shinichiro Tomonaga .

Óptica cuántica

John R. Klauder , George Sudarshan , Roy J. Glauber y Leonard Mandel aplicaron la teoría cuántica al campo electromagnético en las décadas de 1950 y 1960 para obtener una comprensión más detallada de la fotodetección y la estadística de la luz (véase grado de coherencia ). Esto condujo a la introducción del estado coherente como un concepto que abordaba las variaciones entre la luz láser, la luz térmica, los estados comprimidos exóticos , etc., ya que se comprendió que la luz no puede describirse completamente solo haciendo referencia a los campos electromagnéticos que describen las ondas en el modelo clásico. En 1977, H. Jeff Kimble y colaboradores demostraron que un solo átomo emitía un fotón a la vez, lo que proporcionó una evidencia más convincente de que la luz está compuesta de fotones. Posteriormente se descubrieron estados cuánticos de la luz previamente desconocidos con características diferentes a los estados clásicos, como la luz comprimida .

El desarrollo de pulsos láser cortos y ultracortos —creados mediante técnicas de conmutación Q y bloqueo de modos— abrió el camino al estudio de lo que se conoció como procesos ultrarrápidos. Se encontraron aplicaciones para la investigación del estado sólido (por ejemplo, espectroscopia Raman ) y se estudiaron las fuerzas mecánicas de la luz sobre la materia. Esto último permitió levitar y posicionar nubes de átomos, o incluso pequeñas muestras biológicas, en una trampa óptica o pinzas ópticas mediante un haz láser. Esta tecnología, junto con el enfriamiento Doppler y el enfriamiento de Sísifo , fue crucial para lograr la célebre condensación de Bose-Einstein .

Otros resultados notables son la demostración del entrelazamiento cuántico , la teletransportación cuántica y las puertas lógicas cuánticas . Estas últimas son de gran interés en la teoría de la información cuántica , un campo que surgió en parte de la óptica cuántica y en parte de la informática teórica .

Uso para la luz en la Tierra

La luz solar proporciona la energía que las plantas verdes utilizan para crear azúcares, principalmente en forma de almidones , que liberan energía para los seres vivos que los digieren. Este proceso de fotosíntesis proporciona prácticamente toda la energía que utilizan los seres vivos. Algunas especies de animales generan su propia luz, un proceso llamado bioluminiscencia . Por ejemplo, las luciérnagas usan la luz para encontrar pareja y los calamares vampiro la usan para esconderse de sus presas.

Véase también

Notas

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