El modelo corpuscular de Newton
Isaac Newton (1642-1727) se interesó vivamente en los fenómenos asociados a la luz y los colores. A mediados del siglo XVII, propuso una teoría o modelo acerca de lo que es la luz,cuya aceptación se extendería durante un largo periodo de tiempo. Afirmaba que el comportamiento de la luz en la reflexión y en la refracción podría explicarse con sencillez suponiendo que aquélla consistía en una corriente de partículas que emergen, no del ojo, sino de la fuente luminosa y se dirigen al objeto a gran velocidad describiendo trayectorias rectilíneas. Empleando sus propias palabras, la luz podría considerarse como « multitudes de inimaginables pequeños y velocísimos corpúsculos de varios tamaños ». Al igual que cualquier modelo científico, el propuesto por Newton debería resistir la prueba de los hechos experimentales entonces conocidos, de modo que éstos pudieran ser interpretados de acuerdo con el modelo. Así, explicó la reflexión luminosa asimilándola a los fenómenos de rebote que se producen cuando partículas elásticas chocan contra una pared rígida. En efecto, las leyes de la reflexión luminosa resultaban ser las mismas que las de este tipo de colisiones.
Con el auxilio de algunas suposiciones un tanto artificiales, consiguió explicar también los fenómenos de la refracción, afirmando que cerca de la superficie de separación de dos medios transparentes distintos, los corpúsculos luminosos sufren unas fuerzas atractivas de corto alcance que provocan un cambio en la dirección de su propagación y en su velocidad. Aunque con mayores dificultades que las habidas para explicar la reflexión, logró deducir las leyes de la refracción utilizando el modelo corpuscular.
El físico holandés Christian Huygens (1629 - 1695)
dedicó sus esfuerzos a elaborar una teoría ondulatorio acerca de la naturaleza
de la luz que con el tiempo vendría a ser la gran rival de la teoría
corpuscular de su contemporáneo Newton. Era un hecho comúnmente aceptado en el
mundo científico de entonces, la existencia del « éter cósmico » o medio sutil
y elástico que llenaba el espacio vacío. En aquella época se conocían también
un buen número de fenómenos característicos de las ondas.
En todos los casos, para que fuera posible su
propagación debía existir un medio material que hiciera de soporte de las
mismas. Así, el aire era el soporte de las ondas sonoras y el agua el de las
ondas producidas en la superficie de un lago. Huygens supuso que todo objeto
luminoso produce perturbaciones en el éter, al igual que un silbato en el aire
o una piedra en el agua, las cuales dan lugar a ondulaciones regulares que se
propagan a su través en todas las direcciones del espacio en forma de ondas
esféricas. Además, según Huygens, cuando un punto del éter es afectado por una
onda se convierte, al vibrar, en nueva fuente de ondas.
Estas ideas básicas que definen su modelo
ondulatorio para la luz le permitieron explicar tanto la propagación rectilínea
como los fenómenos de la reflexión y la refracción,que eran, por otra parte,
comunes a los diferentes tipos de ondas entonces conocidas. A pesar de la mayor
sencillez y el carácter menos artificioso de sus suposiciones, el modelo de
Huygens fue ampliamente rechazado por los científicos de su época. La enorme
influencia y prestigio científico adquirido por Isaac Newton se aliaron con la
falta de un lenguaje matemático adecuado, en contra de la teoría de Huygens
para la luz.
El físico inglés Thomas Young (1772-1829) publicó
en 1881 un trabajo titulado « Esbozos de experimentos e investigaciones
respecto de la luz y el sonido ». Utilizando como analogía las ondas en la
superficie del agua, descubrió el fenómeno de interferencias luminosas, según
el cual cuando dos ondas procedentes de una misma fuente se superponen en una
pantalla, aparecen sobre ella zonas de máxima luz y zonas de oscuridad en forma
alternada. El hecho de que, en diferentes zonas, luz más luz pudiese dar
oscuridad, fue explicado por Thomas Young en base a la teoría ondulatorio,
suponiendo que en ellas la cresta de una onda coincidía con el valle de la
otra, por lo que se producía una mutua destrucción.
Aunque las ideas de Thomas Young tampoco fueron
aceptadas de inmediato, el respaldo matemático efectuado por Agustín Fresnel
(1788-1827) catorce años después, consiguió poner fuera de toda duda la validez
de las ideas de Thomas Young sobre tales fenómenos, ideas que se apoyaban en el
modelo ondulatorio propuesto por Huygens. El modelo corpuscular era incapaz de
explicar las interferencias luminosas. Tampoco podía explicar los fenómenos de
difracción en los cuales la luz parece ser capaz de bordear los obstáculos o
doblar las esquinas como lo demuestra la existencia de una zona intermedia de
penumbra entre las zonas extremas de luz y sombra. Las ideas de Huygens
prevalecían, al fin, sobre las de Newton tras una pugna que había durado cerca
de dos siglos.
La luz como onda
electromagnética
El físico escocés James Clark Maxwell en 1865 situó
en la cúspide las primitivas ideas de Huygens, aclarando en qué consistían las
ondas luminosas. Al desarrollar su teoría electromagnética demostró
matemáticamente la existencia de campos electromagnéticos que, a modo de ondas,
podían propasarse tanto por el espacio vacío como por el interior de algunas
sustancias materiales.
Maxwell identificó las ondas luminosas con sus
teóricas ondas electromagnéticas, prediciendo que éstas deberían comportarse de
forma semejante a como lo hacían aquéllas. La comprobación experimental de
tales predicciones vino en 1888 de la mano del fisico alemán Heinrich Rudolf
Hertz, al lograr situar en el espacio campos electromagnéticos viajeros, que
fueron los predecesores inmediatos de las actuales ondas de radio. De esta
manera se abría la era de las telecomunicaciones y se hacía buena la teoría de
Maxwell de los campos electromagnéticos.
La diferencia entre las ondas de radio (no
visibles) y las luminosas tan sólo radicaba en su longitud de onda,
desplazándose ambas a la velocidad de la luz, es decir, a 300 000 km/s.
Posteriormente una gran variedad de ondas electromagnéticas de diferentes
longitudes de onda fueron descubiertas,producidas y manejadas, con lo que la
naturaleza ondulatorio de la luz quedaba perfectamente encuadrada en un marco
más general y parecía definitiva. Sin embargo, algunos hechos experimentales
nuevos mostrarían, más adelante, la insuficiencia del modelo ondulatorio para
describir plenamente el comportamiento de la luz.
Los fotones de Einstein
Max Planck (1858-1947), al estudiar los fenómenos
de emisión y absorción de radiación electromagnética por parte de la materia,
forzado por los resultados de los experimentos, admitió que los intercambios de
energía que se producen entre materia y radiación no se llevaba a cabo de forma
continua, sino discreta, es decir, como a saltos o paquetes de energía, lo que
Planck denominó cuantos de energía. Esta era una idea radicalmente nueva
que Planck intentó conciliar con las ideas imperantes, admitiendo que, si bien
los procesos de emisión de luz por las fuentes o los de absorción por los
objetos se verificaba de forma discontinua, la radiación en sí era una onda
continua que se propagaba como tal por el espacio.
Así las cosas, Albert Einstein (1879-1955) detuvo
su atención sobre un fenómeno entonces conocido como efecto fotoeléctrico.
Dicho efecto consiste en que algunos metales como el cesio, por ejemplo, emiten
electrones cuando son iluminados por un haz de luz. El análisis de Albert
Einstein reveló que ese fenómeno no podía ser explicado desde el modelo
ondulatorio, y tomando como base la idea de discontinuidad planteada con
anterioridad por Plank, fue más allá afirmando que no sólo la emisión y la
absorción de la radiación se verifica de forma discontinua, sino que la propia
radiación es discontinua.
Estas ideas supusieron, de hecho, la reformulación
de un modelo corpuscular. Según el modelo de Albert Einstein la luz estaría
formada por una sucesión de cuantos elementales que a modo de paquetes de
energía chocarían contra la superficie del metal, arrancando de sus átomos los
electrones más externos. Estos nuevos corpúsculos energéticos recibieron el
nombre de fotones (fotos en griego significa luz).
La interpretación efectuada por Albert Einstein del
efecto fotoeléctrico fue indiscutible, pero también lo era la teoría de Maxwell
de las ondas electromagnéticas. Ambas habían sido el producto final de la
evolución de dos modelos científicos para la luz, en un intento de ajustarlos
con más fidelidad a los resultados de los experimentos. Ambos explican la
realidad, a pesar de lo cual parecen incompatibles.
Sin embargo, cuando se analiza la situación
resultante prescindiendo de la idea de que un modelo deba prevalecer
necesariamente sobre el otro, se advierte que de los múltiples fenómenos en los
que la luz se manifiesta, unos, como las interferencias o la difracción, pueden
ser descritos únicamente admitiendo el carácter ondulatorio de la luz, en tanto
que otros, como el efecto fotoeléctrico, se acoplan sólo a una imagen
corpuscular. No obstante, entre ambos se obtiene una idea más completa de la
naturaleza de la luz. Se dice por ello que son complementarios. Las controversias
y los antagonismos entre las ideas de Newton y Huygens han dejado paso,al cabo
de los siglos, a la síntesis de la física actual. La luz es, por tanto, onda,
pero también corpúsculo,manifestándose de uno u otro modo en función de la
naturaleza del experimento o del fenómeno mediante el cual se la pretende
caracterizar o describir.
Si quieres saber mas .... click aqui ..