Este blog está dedicado a la divulgación científica en toda su extensión, tratándose en el la matemática, la astronomía, la física, la química, la biología y la geología, así como las ciencias sociales como la psicología, la economía, la historia y las de la organización; por medio de temas semanales que pretenden ir destapando a quien los lea las distintas partes de la ciencia.

1/2/09

La luz, ¿cómo la han visto los físicos?

La luz ha sido comprendida de diversas formas a lo largo de la historia de la física, así el concepto de luz en física ha tenido muchos cambios hasta la llegada a la concepción física actual de la luz. Esta historia permite conocer la evolución del pensamiento físico a lo largo de la historia, así como el reto que supuso conocer la luz en la ciencia moderna. Así aquí presento mi breve resumen de esta maravillosa historia.
(A la izquierda un haz de luz dispersado por el polvo en el cañón del Antílope, en Estados Unidos de América).
El enfrentamiento de Isaac Newton y Christian Huygens
Isaac Newton, bastante nombrado en física, se encargó de estudiar la luz, y publicó sus resultados en la obra Opticks (a la derecha). En esta obra explicaba varios fenómenos de la luz, exponiendo la luz como distintas partículas que según su tipo variaban el color de la luz, y la combinación de todas estas era la luz blanca. Así la teoría newtoniana de la luz es corpuscular.
Christian Huygens surgió por otro lado mediante su principio (principio de Huygens) formulaba teóricamente las ondas y proponía la idea de que la luz era una onda longitudinal, sin embargo, carecía de resultados experimentales para corroborar su teoría ondulatoria descartando la corpuscular.
El enfrentamiento entre estas dos teorías se inclinaría en la comunidad científica hacia Newton y su teoría, gracias a la fama de la que gozaba este.
Fermat y Snel
Antes de la disputa entre Newton y Huygens, había habido dos hombres fundamentales en la comprensión de la luz Pierre de Fermat y Willebrord Snel van Royen.
Fermat había enunciado un principio que explicaba la propagación de la luz de una manera novedosa; este principio en palabras de Fermat decía: "El trayecto seguido por la luz al propagarse de un punto a otro es tal que el tiempo empleado en recorrerlo es un mínimo".
Snel por su lado logró enunciar una ley que explicaba los fenómenos de refracción y reflexión de la luz al pasar de un medio a otro, completándose así la descripción de la trayectoria de la luz.
La medición de Roemer
O. Roemer es un astrónomo danés que observó atrasos y adelantamientos en los movimientos planetarios, en contradicción con la teoría de la gravedad de aquella época; entonces su hipótesis para explicarlo fue la velocidad finita de la luz. Así Roemer demostró la validez de la ley de gravitación universal y la finitud de la velocidad de la luz.
El experimento de Young y la teoría de Fresnel
Thomas Young hizo el experimento de la doble rendija, en el que la luz al pasar por dos rendijas provocaba una interferencia ondulatoria (difracción) que demostraba que la luz era realmente una onda. Descartándose así la teoría corpuscular de Newton, que fue también contradecida por los experimentos de J. Foucault.
A su vez Augustin-Jean Fresnel (a la izquierda) demostró experimentalmente que la luz era una onda transversal (lo cual significa que la onta está polarizada, por lo que ciertos materiales según la dirección de polarización pueden impedir su paso), por lo que propuso su teoría ondulatoria que modificaba en ese punto a la de Huygens.
La llegada de las ecuaciones de Maxwell
Tras demostrar Faraday que la luz podía ser modificada con campos magnéticos, James Clerk Maxwell investigó llegando a demostrar sus ecuaciones sobre el electromagnetismo, las cuales le permitieron establecer que la luz era una onda electromagnética, que se propagaba con dos campos uno eléctrico y otro magnético perpendiculares entre sí. Además dedujo una expresión teórica para la velocidad de las ondas electromagnéticas, que por ser luz, también lo era de la velocidad de la luz.
Arriba se ve la representación de la luz según las ecuaciones de Maxwell, observándose en azul el campo eléctrico y en rojo el magnético.
Hertz, Einstein, relatividad especial y el efecto fotoeléctrico
Heinrich Rudolf Hertz fue capaz de demostrar la teoría de la luz, y tras ciertos experimentos de Michelson y Morley que demostraban que la luz se propagaba por el vacío, Einstein planteó su teoría de la relatividad especial suponiendo que la velocidad de la luz era la misma para todos los observadores inerciales.
A su vez Hertz descubrió el efecto fotoeléctrico en el que se ponía en duda las ecuaciones de Maxwell, esta vez de nuevo Einstein propuso basándose en la teoría de M. Planck que la luz se componía a su vez de partículas llamadas fotones que poseían la energía de la onda de un modo cuantizado, y no continuo como decían las ecuaciones de Maxwell. Este resultado será demostrado por Millikan.
La dualidad onda-corpúsculo
Louis de Broglie propuso el principio de dualidad onda-corpúsculo por el la luz pasó a ser una onda y una partícula a la vez, dándose además que toda partícula tenía una longitud de onda asociada según su movimiento.
Esta dualidad será fuertemente usada por los físicos, llegando a decir Sir William Henry Bragg que: "Los físicos emplean la teoría ondulatoria los lunes, miércoles y viernes, y la corpuscular, los martes, jueves y sábados".
(A la izquierda la enunciación matemática del principio de Broglie).
La QED y la integral de caminos
Posteriormente se siguió profundizando en la mecánica cuántica hasta que finalmente se enunció la teoría actual de la luz y el electromagnetismo: la electrodinámica cuántica o QED. Esta teoría explicaba todos los fenómenos de la luz, así ha sido llamada "la joya de la física". Así fue desarrollada fundamentalmente por Shin'ichirō Tomonaga, Julian Schwinger y Richard P. Feynman quien contribuyó con la 'Integral de Camino' (que asigna una probabilidad a cada posible trayectoria de la partícula, siendo la trayectoria "real" una suma de todas las posibles trayectorias) y sus diagramas (a la derecha uno de estos diagramas de Feynman), demostrando así que la luz es una partícula llamada fotón que se rige por las leyes de la mecánica cuántica, más concretamente la QED.
El futuro de la luz...
Actualmente la QED explica completamente la luz, sin embargo, deben unificarse las cuatro fuerzas fundamentales todavía, ¿y quién sabe donde nos llevará esa unificación en la comprensión de la luz?

Tabla Periódica