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ENTENDER EL MUNDO/MONOGRÁFICOS
Luz, entre ondas y corpúsculos
 
 
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 UN ENIGMA IRRESOLUBLE
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Los colores que presenta el cielo se deben a la difusión de la luz solar en la atmósfera.
Luz es todo aquello que captamos mediante nuestro sentido de la vista. Existen astros como el Sol, objetos como las bombillas y animales como las luciérnagas, que poseen la propiedad de emitir luz. Los objetos restantes, a pesar de no emitirla, son visibles gracias a una propiedad llamada “reflexión”, que permite que la luz rebote ante una superficie pulida, de una manera semejante a como lo haría una pelota lanzada contra una pared. De este modo, o bien vemos objetos porque emiten luz, o bien los percibimos porque la luz rebota en ellos. El Sol, por ejemplo, es visible porque emite luz; en cambio, la Luna también lo es, pero porque la luz se refleja en ella.

Cuando se enfoca un objeto con una fuente de luz se producen sombras. De nuevo la Luna y el Sol proporcionan un ejemplo clásico de este fenómeno: en los eclipses solares, la Luna se interpone entre el Sol y la Tierra, los rayos de luz son interceptados por este cuerpo y, debido a la reflexión, rebotan sin alcanzar la Tierra. En ese momento, algunos lugares de la Tierra se oscurecen como si fuera de noche. Todos los objetos alrededor nuestro manifiestan esta característica causada, de nuevo, por la reflexión.

Otro fenómeno que todos hemos podido observar en alguna ocasión es la llamada “refracción de la luz”. Si cogemos un palo y lo introducimos dentro de un vaso de agua, observaremos que aparece roto o quebrado. Al sacarlo, recuperará su apariencia habitual. ¿Cuál es la causa de que se obtengan dos visiones tan discrepantes de un mismo objeto? La razón no hay que buscarla en el propio palo, sino en la luz que tiene que atravesar dos medios de distinta densidad: el agua y el aire. Al cambiar de medio, los rayos de luz también cambian de dirección y por este motivo la porción del palo que se encuentra sumergida parece torcida.

El físico inglés Isaac Newton (1642-1727) fue uno de los primeros científicos en constatar otra característica típica de la luz: que puede descomponerse en los colores del arco iris. Al proyectar un rayo de luz sobre un prisma, Newton observó que se descomponía en los colores rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta (aunque, en realidad, la luz se descompone en un abanico cromático gradual que sería posible segmentar de otras maneras). El blanco, que es el color de la luz, es la suma de todos los colores, mientras que el negro es la ausencia de color.

Los niños, cuando pintan la luz del Sol o de una bombilla, trazan líneas de color amarillo, tal como si la luz fuera un flujo que abandonara el foco y se expandiera en todas direcciones en línea recta. Esta concepción, tan cercana al sentido común, fue defendida en su día por Newton. Según este científico, el flujo de luz está formado por una multiplicidad de pequeños corpúsculos que avanzan en línea recta y solo cambian su dirección cuando rebotan (la reflexión) o bien cuando cambian de un medio a otro (la refracción). Con estas ideas, Newton estaba sentando las bases de un modelo teórico que considera que la luz está formada por una infinidad de corpúsculos de tamaño diminuto y que recibe el nombre de “modelo corpuscular”.

La reflexión es un comportamiento predecible si se compara la luz con un flujo formado por millones de pequeñas pelotas de tenis lanzadas a toda velocidad desde un foco y que rebotan cuando se encuentran con un objeto.

Ahora bien, para explicar el fenómeno de descomposición de la luz, estrechamente relacionado con el de refracción, Newton afirmó que la luz blanca está formada por corpúsculos de diferentes tamaños y cada tamaño corresponde a un color determinado. Al atravesar un medio más denso, como es el cristal de un prisma, las partículas de mayor tamaño reducen su velocidad de forma más acentuada que las más pequeñas. La velocidad de salida de las partículas difiere, por tanto, dependiendo de su tamaño. Y, por esta razón, el ángulo que formen al salir será ligeramente diferente. Como el grosor es un factor que, según Newton, influye en el color, la imagen que se obtiene al pasar la luz a través de un prisma es una descomposición de los distintos colores que la forman.


SOMBRAS EN EL MODELO CORPUSCULAR
Un fenómeno más sutil relacionado con la luz, pero que se conoce también desde hace siglos, es el de la difracción. Se produce cuando la luz pasa a través de un orificio minúsculo. Al estudiar con atención la sombra que se obtiene, se observan unas franjas de luz y oscuridad que adquieren aspectos variados, dependiendo de la forma del orificio. Tal como afirma el físico israelí David Deutsch (nacido en 1953), la luz parece “rebelarse”. En lugar de pasar por los agujeros, “se resiste al confinamiento y se esparce después de cada orificio; y, al esparcirse, se “deshilacha”. Cuanto más pequeño es el orificio, más se esparce la luz y se desvía del camino recto. Aparecen intrincadas conformaciones de luz y sombra”.

Otro fenómeno que guarda semejanzas con la difracción fue descubierto por el físico británico Thomas Young (1773-1829). Young inventó un dispositivo formado por una placa sólida con dos pequeñas rendijas, y una pantalla que se coloca detrás de la placa. Al encender una luz monocolor (lo que se consigue al filtrar la luz) e iluminar la superficie en la que hay las dos rendijas, se obtienen, en la pantalla, franjas de luz y franjas de oscuridad alternadas. Este fenómeno, conocido como “interferencia”, resulta inexplicable desde el punto de vista de la teoría corpuscular. Cabría esperar que la pantalla quedara parcialmente iluminada, pero de ningún modo formando franjas. De hecho, hay franjas de oscuridad que se iluminan cuando se tapa una de las rendijas, lo que significa que la oscuridad está causada por la existencia de dos focos diferentes. El fenómeno es tan misterioso como si dijéramos que un único foco ilumina mejor un objeto que dos o más focos.

La camisa de fuerza que constituye la teoría corpuscular no se acopla a todos los fenómenos relacionados con la luz. Por este motivo, los científicos se vieron obligados a confeccionar otro traje que se adaptara a sus complejas particularidades. El resultado fue la teoría ondulatoria.


ONDAS DE LUZ
Una onda es una perturbación –es decir, una forma de energía– que se propaga. Las ondas más comunes son las que se pueden observar en el agua cuando lanzamos un objeto. Imaginemos que nos encontramos ante un estanque en calma y lanzamos una piedrecilla al agua. Cuando la piedra choca con la superficie del estanque aparecen unos círculos concéntricos que llamamos “ondas” y que se propagan hasta alcanzar el borde del estanque. Un conjunto de ondas que avanzan juntas se llama “tren de ondas”. Si observamos con más atención las ondas, nos daremos cuenta de que, en unos lugares, el nivel del agua se eleva, mientras que, en otros, disminuye. Dichos lugares reciben los nombres de “crestas” y “valles”, respectivamente.

Desde hace algunos años, se ha hecho popular en algunos estadios deportivos la costumbre de “hacer la ola”. Para ello, los espectadores levantan los brazos, de forma coordinada, en el momento en que ven hacer lo mismo a las personas sentadas a su lado. Acto seguido vuelven a bajarlos y esperan a que se vuelva a producir la situación descrita. De este modo, se logra un efecto visual que consiste en una ola que recorre todo el estadio. Este fenómeno imita de forma aproximada lo que ocurre realmente en una onda. Del mismo modo que ninguna de las personas cambia de sitio para recrear el movimiento de la ola, una gota de agua tampoco cambia de lugar, sino que se mueve únicamente hacia arriba y hacia abajo impulsada por la energía de la perturbación. Las gotas de agua vibran y comunican su vibración a las gotas que se encuentran a su alrededor y gracias a esta transmisión se crea el movimiento aparente de traslación que denominamos “onda”. Esto significa que en una onda no se produce una transmisión de materia, ya que las gotas de agua no cambian de posición; lo que se transmite es energía.

El sonido es otro fenómeno ondulatorio característico, esta vez producido en el aire. Al emitir un sonido, se transmite una vibración que se propaga en todas direcciones hasta alcanzar un oído, momento en el que se produce la audición. Las ondas sonoras no pueden observarse debido a que el aire, que es el medio en el que se producen, es transparente. De lo contrario, el espectáculo sería parecido al de las ondas en el agua, pero con la diferencia de que las moléculas vibran en las tres dimensiones, formando burbujas que se expanden y rompen hasta el infinito al chocar con los objetos o que rebotan, como ocurre con el eco. Las ondas sonoras se diferencian de las ondas en el agua porque son longitudinales, es decir, la vibración de las moléculas del aire se produce en el mismo sentido del movimiento de la onda y no de forma perpendicular (en cuyo caso la onda se denomina “transversal”). La vibración de las ondas sonoras se transmite de forma parecida a cuando se disponen muchas bolas de billar alineadas y en contacto. Al golpear uno de los extremos de la fila, las bolas permanecen aparentemente inmóviles. Solo al cabo de unos instantes, la bola situada en el extremo opuesto al que ha recibido el golpe sale disparada, debido a que le ha sido transmitida la energía del golpe mediante choques imperceptibles.

Hemos visto que las ondas pueden producirse en medios diferentes, que poseen unas características determinadas. Sin embargo, existen fenómenos que son comunes a todas las ondas. Uno de ellos es el fenómeno de interferencia, que explicaremos a continuación. Cuando dos crestas de ondas procedentes de focos diferentes se superponen, se obtiene una cresta de doble tamaño, como si la amplitud de las dos ondas se hubiera sumado. Si, por el contrario, coinciden dos valles, el valle resultante es también el doble de profundo. Ambos fenómenos se conocen como “interferencias constructivas”. En cambio, si se encuentran en un mismo punto una cresta y un valle, ambos resultados se cancelan, lo que recibe el nombre de “interferencia destructiva”. En el agua, una situación de interferencia destructiva implicaría que la superposición entre un valle y una cresta daría lugar a una situación de calma. En el aire, la interferencia destructiva se traduce en silencio.

El experimento de Young descrito más arriba, en el que aparecen franjas de luz y franjas de oscuridad, es un fenómeno de interferencia destructivo y adquiere un total sentido si se interpreta que las dos rendijas actúan como focos que transmiten dos ondas de luz diferentes que interfieren al llegar a la pantalla. Las zonas de oscuridad son puntos en los que una cresta de una onda de luz y un valle de otra onda se han superpuesto. Este experimento parece una prueba inequívoca de que la luz es, en realidad, una onda.

Young había llevado a cabo su experimento a principios del siglo XIX. Algunas décadas más tarde, el físico británico James Clerk Maxwell (1831-1879) desarrolló una teoría que unificó la electricidad y el magnetismo y llegó a la conclusión de que la luz era una onda electromagnética transversal que tenía una velocidad constante en el vacío de 300.000 kilómetros por segundo (velocidad que en física se representa mediante la letra c). Sin embargo, existían algunas dudas que no se habían podido resolver: si la luz era una onda y toda onda necesita de un medio para transmitirse, ¿cómo puede viajar a través del vacío intergaláctico? Los científicos se vieron obligados a sacar de la chistera de la imaginación una entidad escurridiza e inobservable, a la que denominaron “éter”, que se encontraría en todas partes y que permitiría explicar la propagación de la luz por el universo. Los experimentos para detectar el éter resultaron fallidos en todos los casos. Se consideraba, sin embargo, que era un problema menor y que la solución se encontraría tarde o temprano. Lo que había quedado establecido de forma definitiva es que la luz era una onda.

Solo un físico genial se atrevió a nadar contracorriente y afirmar que, al fin y al cabo, la luz era una partícula. Esto significaba que el éter era una entidad innecesaria, que carecía de realidad y que, por ello, debía expulsarse del cuerpo de la física. El nombre de este científico es Albert Einstein y trabajaba en una oficina de patentes en el momento en el que hizo públicos estos descubrimientos. Para Einstein, la luz está formada por corpúsculos a los que llamó “fotones”.


LOS FOTONES
Einstein concibió la teoría fotónica de la luz para explicar un fenómeno llamado “efecto fotoeléctrico”. Cuando se baña de radiación una superficie metálica, se obtiene, como resultado, una emisión de electrones procedentes de dicha superficie. Para que el efecto fotoeléctrico se produzca, la frecuencia de la radiación electromagnética debe ser superior a un valor que depende de la sustancia metálica. Por debajo de este valor no hay tal efecto, aunque se incremente la intensidad de la radiación.

Según Einstein, las radiaciones lumínicas están formadas por una clase de corpúsculos muy especiales, a los que llamó “fotones”. Un fotón es un bloque de energía –aunque los físicos prefieren llamarlo “cuanto de energía” – que se transmite a los electrones cuando choca contra ellos. Esta energía que absorbe el electrón le permite escapar de la influencia del núcleo atómico. Para Einstein, la luz es un flujo de fotones en lugar de un tren de ondas: la teoría ondulatoria había quedado ahora arrinconada.

Einstein recibió el Premio Nobel de Física en 1921 gracias a su trabajo sobre el efecto fotoeléctrico. En principio, el fotón es una partícula discreta de energía, pero el propio Einstein reconoció que era una partícula a la que se le tenía que asociar una longitud de onda. ¿El fotón es entonces una onda o una partícula? Se han diseñado experimentos muy precisos para tratar de dirimir esta cuestión de una vez por todas. Se ha reproducido, por ejemplo, el experimento de las interferencias de Young, colocando esta vez unos detectores de fotones en cada una de las rendijas. Al lanzar fotones de uno en uno, se detecta su paso por una única rendija y, en segundo lugar, se detecta el impacto en la pantalla final. Una vez que se han lanzado millones de fotones de forma individual, se obtiene al final el mismo patrón de interferencia obtenido por Young. Este resultado es inexplicable porque los fotones se lanzan de forma individualizada y pasan por una única rendija, tal como se detecta en los sensores, por lo que no pueden encontrarse con ningún otro fotón que explique la interferencia. Los fotones, por otro lado, son indivisibles, por lo que no pueden pasar a la vez por las dos rendijas (como cabría esperar si fueran una onda). Por último, al impactar en la pantalla se comportan, de nuevo, como una partícula. Los fotones actúan como una partícula en todo momento, pero de algún modo indetectable se comportan también como ondas, tal como se refleja en el resultado final. Los científicos muestran una posición unánime ante este experimento: el comportamiento de un fotón resulta incomprensible. Y el problema es aún más grave si se tiene en cuenta que todas las partículas atómicas manifiestan esta dualidad onda-corpúsculo.


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