martes, 4 de agosto de 2015

Breve historia de la luz

Estamos inmersos en la celebración del "Año Internacional de la Luz y las Tecnologías Basadas en la Luz" y desde Cuadernos de Física vamos a realizar varias entradas sobre Óptica para unirnos a esa celebración.
Comenzaremos haciendo un breve repaso a la historia de la Óptica, esa parte de la Física que se ocupa del estudio de las leyes y los fenómenos de la luz.


Rayos de luz en Santa María de la Asunción. Carmona. Sevilla. Foto de @MReyesZam


Los fenómenos relacionados con la luz como la formación de sombras, las reflexiones, la formación de arco iris... han atraído la atención de los hombres desde siempre.
La palabra Óptica viene de la palabra griega ὀπτικός, que significa "relacionado con la visión". 
Los primeros documentos que especulan sobre la naturaleza de la luz datan del primer milenio antes de Cristo. No solamente hay testimonios en Grecia, sino también en China e India. Sin embargo, en la cultura occidental son las ideas de los filósofos griegos las que más influencia han tenido y en ellas nos centraremos. 
Más que en la formación de las imágenes, los griegos estaban interesados en el proceso de visión. Para ellos el ojo emitía una especie de "fuego" que permitía "ver" los cuerpos. En textos como la Ilíada de Homero aparecen referencias a ese brillo en los ojos. Así, en el Canto XIX cuando Aquiles recibe las armas forjadas por Hefesto podemos leer:

"Pero Aquiles sintió reavivarse su ira, y debajo de las cejas sus ojos brillaron terribles cual fuego."

Empédocles llega a comparar el ojo con una linterna en un poema del siglo quinto antes de nuestra era.

Los atomistas discrepaban de esta idea y fueron dos discípulos de Democrito: Epicuro y Lucrecio quienes desterraron la teoría del fuego emitido por los ojos. El primero afirmaba que eran los objetos los que emitían un conjunto de átomos que al llegar al ojo permitían la visión. Para explicar que solamente vemos en presencia de una fuente de luz, Lucrecio afirmaba que los rayos del sol o de otra fuente de luz facilitaban el trayecto de los átomos emitidos por los objetos a través del aire.

Platón recogió estas ideas en su teoría sobre la visión, pero su discípulo Aristóteles rechazó la idea de los "flujos de fuego" (los átomos emitidos por los cuerpos) e introdujo un medio que lo llenaba todo (sí, el éter) y cuyo objetivo era permitir la transmisión de algunas propiedades intrínsecas de los objetos para que los podamos ver. La "transparencia" de este medio era debida a las fuentes de luz  como el Sol o el fuego. Afirmaba además que el proceso de visión era instantáneo.

A pesar de estas ideas que hoy nos pueden parecer disparatadas, los griegos también tenían una visión geométrica de la formación de las imágenes según la cual la percepción de una imagen depende de la incidencia de los "rayos visuales" de distintos puntos de un objeto.

Euclides escribió en torno al 300 A.C. su "Óptica" en el que partiendo de 7 suposiciones, elabora un tratado sobre la perspectiva y la visión como una aplicación de su "Geometría". No trata aspectos como el color o la apreciación de distancias.
Parece ser que en una obra posterior denominada "Catóptrica" (desaparecida), Euclides habló también del fenómeno de refracción.

Pero fue Ptolomeo quien intentó establecer una ley para la refracción. Escribió un tratado de Óptica en dos volúmenes, el primero de ellos no ha llegado hasta nuestros días y el segundo lo conocemos gracias a una traducción al latín de una traducción al árabe.
Ptolomeo realizó medidas de ángulos de incidencia y de refracción muy precisas. En sus medidas sobre la posición de los astros tenía en cuenta la refracción en la atmósfera. Sin embargo, las mediciones de Ptolomeo correspondían a ángulos muy pequeños y llegó a la conclusión de que el ángulo de incidencia y el de refracción eran proporcionales.

No fue hasta un milenio después que Ib Al Haytham (Alhacén) observó que la relación entre estos ángulos no es constante, pero no pudo obtener una expresión para la relación entre el ángulo de incidencia y el de refracción. 
En su monumental tratado sobre óptica llamado Kitab al-Manazir (Opticae Thesaurus) estableció que la luz emana de los cuerpos luminosos, llega a los objetos y de los objetos va hacia los ojos.
Un resumen de su trabajo lo podéis encontrar en Los mundos de Brana gracias a @lauramorron y en la web www.ibnalhaytham.com

Ibn al-Haytham representado por el artista Ali Amro


Tuvieron que pasar cerca de 600 años para que la ley de la refracción fuera establecida. Fue Willebrord Snel van Royen, conocido como Snell quien estableció la formulación de dicha ley, pero no llegó a publicarla. Quién sí lo hizo fue René Descartes en 1637 en "La dioptrique", varios ensayos publicados conjuntamente con su "Discurso del método".


Willebrord Snellius

Las leyes fundamentales de la luz quedaron así establecidas. No ocurría lo mismo con la naturaleza de la propia luz. 


Página de La Dioptrique de Descartes

Christiaan Huygens publicó en 1690 una obra que había terminado en 1678 titulada "Traité de la Lumière". El propio Huygens explicaba el retraso en la publicación debido a que escribió la obra en francés pensando traducirla al latín, "mais le plaisir de la nouveauté ayant cessé, j'ai différé de temps à autre d'exécuter ce dessein", hasta que creyó más oportuno publicarla tal como estaba (en francés) que arriesgarse a que se perdiera.
Huygens describe las leyes fundamentales de la luz y llega a hablar de la birrefringencia del espato de Islandia: "l'étrange réfraction de certain cristal qu'on apporte d'Islande".
Huygens discrepa de que la luz consista en el transporte de una serie de "átomos" puesto que cuando nos llega luz de distintos sitios no se distorsiona (los átomos "chocarían" y la luz se desviaría). Así, por analogía con el sonido que se propaga por el aire como la vibración de unas partículas a otras, Huygens concluye que la luz debe consistir en un movimiento de una materia que llena todo el espacio, el éter. Dicho movimiento se extiende en forma de superficies y ondas esféricas igual que en el sonido. Huygens las llama ondas por analogía con las ondas que se observan en el agua cuando cae una piedra. 
Sin embargo, no considera que la luz sea un fenómeno periódico y no describe el fenómeno que llamamos difracción y que ya había sido observado en la época en la que escribió su tratado.

Unos años después de la publicación del libro de Huygens, Sir Isaac Newton publicó su "Opticks: or a treatise of the reflections, refractions, inflections and colours of Light" que consta de tres partes (libros). Aunque esto fue en 1704, Newton indica en el prólogo que la gran parte del libro se escribió en 1675 y en los doce años siguientes se completó la teoría, salvo el libro tercero y la última proposición del segundo libro. Según el propio Newton, no lo publicó antes para evitar disputas sobre los temas tratados en él. 

El impacto que tuvo "Opticks" fue incluso superior al de los "Principia" publicados en 1672. Esto se debió en parte a que estaba escrita en prosa y no en ecuaciones geométricas, lo que la hizo accesible a un público que no pudo acceder a los "Principia". Durante el siglo XVIII esta obra dominó el campo de la óptica de manera casi exclusiva.

Newton comienza expresando que su objetivo al redactar el texto no es explicar la propiedades de la luz mediante hipótesis, sino mediante el razonamiento y experimentos. Tras esto, presenta 8 definiciones en las que incluye los rayos de luz, reflexión, refracción, ángulos... Continúa expresando las leyes fundamentales de la reflexión y refracción de la luz en forma de 5 axiomas. A partir de ahí, desarrolla toda la teoría de la luz. En particular, empieza demostrando que los distintos colores se refractan de distinta forma y que la luz del Sol está compuesta de luces de distintos colores. En la parte final del primer bloque del libro I describe un telescopio reflector que hoy conocemos como telescopio de Newton.


Telescopio reflector o de Newton


A pesar de todo esto, para Newton la luz estaba formada por cuerpos muy pequeños emitidos por los objetos brillantes y no por ondas como indicaba Huygens.

Como hemos comentado, durante el siglo XVIII la obra de Newton constituyó el núcleo de la óptica. A pesar de ello, la teoría corpuscular de la luz tenía enemigos importantes. Euler fue el más conocido y en su "Nueva teoría de la luz y de los colores", de 1746, planteaba la luz como oscilaciones del éter.

Los trabajos de Thomas Young y Augustin Fresnel acerca de la interferencia, junto con los del propio Fresnel con François Arago acerca de la polarización ayudaron a destronar a la teoría corpuscular de la luz, aunque seguían existiendo dificultades para establecer las propiedades que debía tener el éter causante de la propagación de la luz. 

Los estudios teóricos de James Clerk Maxwell demostrando que el campo electromagnético se propaga en el vacío con una velocidad igual a la de la luz y los experimentos de Hertz en 1888, llevaron a la conclusión de que la luz es un fenómeno electromagnético.

Poco después, nació la teoría cuántica y, con ella, la luz volvió a estar compuesta de partículas, los fotones, aunque sin perder su naturaleza ondulatoria, pero eso lo dejamos para otro día.

¡Hasta pronto!




Bibliografía:



A History of Optics from Greek Antiquity to the Nineteenth Century. (2012) Olivier Darrigol. Oxford University Press.

Óptica. G.S. Landsberg. (1983) Editorial MIR.

Opticks. Isaac Newton (1952) Dover Publications, Inc.

Traité de la Lumières. (1690) Christian Huygens (disponible en http://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k5659616j) (Accesible el 4 de Agosto de 2015)


No hay comentarios :

Publicar un comentario