NATURALEZA DE LA LUZ

Bibliografía:

Introducción a la física A. MAIZTEGUI

Manual de óptica E. MIRANDA

¿Qué es la luz?. Los sabios de todas las épocas han tratado de responder a esta pregunta. Los griegos suponían que la luz emanaba de los objetos, y era algo así como un "espectro" de los mismos, extraordinariamente sutil, que al llegar al ojo del observador le permitía verlo.

De esta manera los griegos y los egipcios se abocaron a la solución de estos problemas sin encontrar respuestas adecuadas. Posteriormente en la Europa del S. XV al XVII, con los avances realizados por la ciencia y la técnica, surgieron muchos matemáticos y filósofos que produjeron importantes trabajos sobre la luz y los fenómenos luminosos.

Es Newton el que formula la primera hipótesis seria sobre la naturaleza de la luz.

TEORIA DE NEWTON.

Se la conoce como teoría corpuscular o de la emisión. Según Newton, las fuentes luminosas emiten corpúsculos muy livianos que se desplazan a gran velocidad y en línea recta. Podemos fijar ya la idea de que esta teoría además de concebir la propagación de la luz por medio de corpúsculos, también sienta el principio de que los rayos se desplazan en forma rectilínea.

Como toda teoría física es válida en tanto y en cuanto pueda explicar los fenómenos conocidos hasta el momento, en forma satisfactoria.

Newton explicó que la variación de intensidad de la fuente luminosa es proporcional a la cantidad de corpúsculos que emite en determinado tiempo.

La reflexión de la luz consiste en la incidencia de dichos corpúsculos en forma oblicua en una superficie espejada, de manera que al llegar a ella varía de dirección pero siempre en el mismo medio.

La igualdad del ángulo de incidencia con el de reflexión se debe a la circunstancia de que tanto antes como después de la reflexión los corpúsculos conservan la misma velocidad (debido a que permanece en el mismo medio).

La refracción la resolvió expresando que los corpúsculos que inciden oblicuamente en una superficie de separación de dos medios de distinta densidad son atraídos por la masa del medio más denso y, por lo tanto, aumenta la componente de la velocidad que es la velocidad que es perpendicular a la superficie de separación, razón por la cual los corpúsculos luminosos se acercan a la normal.

Según lo expresado por Newton, la velocidad de la luz aumentaría en los medios de mayor densidad, lo cual contradice los resultados de los experimentos realizados años después.

Esta explicación, contradictoria con los resultados experimentales sobre la velocidad de la luz en medios más densos que el vacío, obligó al abandono de la teoría corpuscular.

TEORIA DE HUYGENS.

Allá por 1690, cuando todavía se admitía la teoría corpuscular de la propagación de la luz, un físico, matemático y astrónomo holandés llamado Christian Huygens expuso su teoría sobre este fenómeno.

Huygens emitió la hipótesis de que la luz era un fenómeno ondulatorio, de naturaleza semejante a la del sonido.

Según esta teoría, la velocidad de la luz disminuye al penetrar en el agua, que es lo contrario de lo que se deduce de la teoría corpuscular.

La única diferencia entre la luz y las ondas sonoras es que el sonido no se propaga en el vacío mientras que la luz sí lo hace.

Para explicar esta trayectoria de la luz en el vacío, Huygens completó su teoría agregando que el rayo luminoso se propagaría entonces por la vibración de cada uno de los puntos que son alcanzados por la luz, aún aquellos del "éter cósmico" que se encuentra en el vacío.

Principio de Huygens: "Cada punto alcanzado por la onda luminosa actúa como centro emisor de ondas secundarias. Y la onda principal es la envolvente de todas esas ondas secundarias."

LOS TRABAJOS DE MAXWELL.

Este físico escocés, dedicado al estudio del electromagnetismo, demostró que un circuito eléctrico oscilante radiaba ondas electromagnéticas. Resultó ser que estas ondas eran prácticamente iguales en velocidad a la de la luz.

Ante esta comprobación Maxwell expresó su idea de que la luz podría ser de naturaleza electromagnética.

TEORIA CUANTICA DE PLANCK.

Max Planck estudia la energía radiante y llegó a comprobar que las variaciones de temperatura se hacen por "saltos", como por granitos de energía, a los que llamó "cuantos".

En 1905 Einstein llegó a comprobar que la energía de un haz luminoso está distribuida en una onda electromagnética y avanza en "paquetes" de electrones que llamó "fotones".

Si en este momento nos volviésemos a preguntar que es la luz diríamos ahora que es una energía radiante contenida en infinitos "paquetes" de electrones llamados fotones que irradian la luz y, con un resto de energía se desplazan por el espacio.

El punto de vista actual, es aceptar el hecho que la luz parece tener una doble naturaleza. Los fenómenos de propagación de la luz encuentran mejor explicación dentro de la teoría ondulatoria, mientras que la acción mutua entre la luz y la materia, en los procesos de absorción y de emisión, se explican mejor con la teoría corpuscular.

LA VELOCIDAD DE LA LUZ.

Los antiguos creían que la luz se propagaba instantáneamente.

Esto desde luego que no es así. La luz tiene una determinada velocidad de propagación.

Descartes fue uno de los que afirmaron tal creencia, también Galileo trató de medir su velocidad sin conseguirlo.

LA SOSPECHA DE GALILEO.

Galileo ideó un método sencillo. Colocó dos personas en lugar despejado, separadas por una distancia de 1 Km por ejemplo.

Ambos han puesto sus relojes en hora y han convenido que uno de ellos encienda una luz exactamente a las doce de la noche. Si el segundo observador viera encenderse la luz a las 12 y 2 seg. por ejemplo la luz habría tardado 2 seg. en recorrer 1.000 m que los separa y su velocidad sería de 500 m/s.

Galileo realizó la experiencia, pero los relojes no indicaron ninguna diferencia. Galileo atribuyó el resultado negativo de su experiencia a la extraordinaria magnitud que debería tener, basta pensar que la luz recorre 1 Km en solo 0,000003 seg.

Hay tres métodos que permitieron calcular aproximadamente la velocidad de la luz; el primero se basó en observaciones astronómicas, el siguiente lo fue en la superficie terrestre pero en distancias bastante grandes y el último es prácticamente un experimento de laboratorio.

METODO DE ROEMER.

En 1670, por primera vez en la historia, el astrónomo danés Olaf Roemer pudo calcular la velocidad de la luz.

Se hallaba estudiando los eclipses de uno de los satélites de Júpiter, cuyo período había determinado tiempo atrás. Estaba en condiciones de calcular cuales serían los próximos eclipses. Se dispuso a observar uno de ellos, y con sorpresa vio que a pesar de que llegaba el instante tan cuidadosamente calculado por él, el eclipse no se producía y que el satélite demoró 996 seg. en desaparecer.

Roemer realizó sus primeros cálculos cuando la tierra se encontraba entre el Sol y Júpiter; pero cuando observó el retraso en el eclipse era el Sol quien se encontraba entre la Tierra y Júpiter.

Por lo tanto la luz debía recorrer una distancia suplementaria de 299.000.000 Km., que es el diámetro de la órbita terrestre, por lo tanto:

Vel. Luz = Diam. órbita terrestre 299.000.000 Km / Atraso observado 996 seg. = 300.200 Km/seg.

Observaciones posteriores llevaron a la conclusión que el atraso en cuestión era de 1.002 seg. , lo cual da por resultado que la velocidad de la luz sería de 298.300 Km/seg.

METODO DE FIZEAU.

En 1849, el físico francés Fizeau, logró medir la velocidad de la luz con una experiencia hecha en la tierra.

Envió un rayo de luz, por entre los dientes de una rueda dentada que giraba a gran velocidad, de modo que se reflejara en un espejo y volviera hacia la rueda.

Esta relación de velocidad entre el camino recorrido por la luz en su ida y vuelta y las revoluciones de la rueda dentada, fue la que tomó Fizeau de base para calcular la velocidad de la luz.

Podemos escribir: t = 2d / v

Si la rueda tiene N dientes y N espacios, y da n vueltas por segundo y pasan en 1 seg. 2 Nn dientes y espacios

t= 1 /.2Nn

Cuando no llega mas luz al observador es evidente que estos tiempos son iguales y por lo tanto tenemos:

2d / v = 1 / 2Nn

de donde v = 4 d Nn

Fizeau colocó el espejo a 8.633 m del observador, la rueda tenía 760 dientes y giraba a 12,6 revoluciones por segundo.

Si aplicamos la fórmula obtenida, resultará:

V = 313.274 Km./seg.

METODO DE FOUCAULT.

León Foucault y casi simultáneamente Fizeau, hallaron en 1850 un método que permite medir la velocidad de la luz en espacios reducidos.

La idea consiste en enviar un haz de luz sobre un espejo giratorio haciéndole atravesar una lámina de vidrio semitransparente y semirreflectora, un espejo fijo devuelve el rayo y atraviesa luego lámina observándose la mancha luminosa en una pantalla.

Con este método se obtuvo que:

V = 295.680 Km./seg.

Luego Foucault junto a concibió la idea de calcular la velocidad de la luz en otro medio que no sea el aire.

Midieron la velocidad de la luz en el agua y obtuvieron un resultado experimental que decidió la controversia a favor de la teoría ondulatoria.

En general todas las mediciones de que se tiene conocimiento obtuvieron resultados entre 298.000 Km/seg y 313.300 Km/seg sin embargo se toma como velocidad de la luz la de 300.000 Km/seg por ser un término medio entre los valores obtenidos y por ser una cifra exacta que facilitan los cálculos.

Informe por Fernando Cardozo

E-mail :lautaroar@hotmail.com