La luz: de su origen a sus leyes, polarización y láser

Newton fue el primero en demostrar de manera experimental que la luz del Sol, conocida también como luz blanca, está compuesta por una mezcla de todos los colores. Al observar cómo un fino rayo de luz, al reflejarse en una cara de un objeto de cristal que actúa como un prisma, se dividía en los colores del arco iris, desde el rojo hasta el violeta, logró revelar este fenómeno.
Aunque fascinante, esta teoría no era capaz de explicar, a no ser con hipótesis muy artificiosas, otros fenómenos luminosos como la refracción y la difracción, pero sobre todo no permitía comprender cómo unos rayos luminosos formados por partículas materiales podían cruzarse en su propagación sin perturbarse.

Diametralmente opuesta a la teoría corpuscular era la hipótesis propuesta por el físico holandés Christiaan Huygens. En su Traité de la lumière (Tratado sobre la luz), este científico consideraba la luz no como transporte de materia, sino como propagación de energía mediante ondas. Ninguna de estas teorías fue valorada ni estudiada objetivamente por los físicos de la época: la autoridad de Newton era demasiado grande, por lo que la teoría corpuscular de la luz permaneció indiscutida hasta fines del siglo XIX, cuando el físico británico Thomas Young, con un experimento fundamental y un riguroso planteamiento matemático, motivó la aceptación general de la teoría ondulatoria de la luz.

Reflexión de la luz: los espejos

Cuando la luz incide sobre una superficie pulida se produce una reflexión: todos los rayos luminosos se reflejan en una determinada dirección. Son ejemplos de superficies reflectoras los espejos. En particular, en un espejo plano la imagen es virtual (dado que no puede proyectarse sobre una pantalla) y es simétrica del propio objeto respecto al plano del espejo. Existen también espejos esféricos, que pueden ser cóncavos o convexos; en ambos casos, la imagen reflejada resulta deformada (en los espejos esféricos cóncavos la imagen queda aumentada, mientras que los convexos muestran una imagen empequeñecida).

Leyes de la reflexión

Se han formulado dos leyes de la reflexión: la primera afirma que el rayo incidente y el reflejado se encuentran en el mismo plano que la perpendicular (normal) a la superficie en el punto de incidencia; la segunda sostiene que el ángulo de reflexión es igual al ángulo de incidencia (figura 1).

La refracción: prismas y lentes

Un haz de luz, cuando incide sobre la superficie de separación entre dos medios distintos, como el aire y el agua, penetra en el segundo medio cambiando de dirección. Se dice que el rayo «se refracta». Se habla en tal caso de rayo incidente, de rayo refractado (el que se desvía), de ángulos de incidencia y de refracción (formados por los dos respectivos rayos con la normal a la superficie en el punto de incidencia) y de índice de refracción. Las lentes pueden utilizarse para desviar un rayo luminoso: existen lentes convergentes que desvían los rayos haciéndolos converger en un punto, y otras que, al contrario, son divergentes.

Leyes de la refracción

Dos son también las leyes básicas de la refracción: según la primera, el rayo incidente y el rayo refractado pertenecen al mismo plano que la normal a la superficie en el punto de incidencia; en virtud de la segunda, considerando dos segmentos iguales, uno en el rayo incidente y el otro en el refractado, el cociente entre las proyecciones del primero y del segundo sobre la superficie de separación entre los dos medios es constante al variar el ángulo de incidencia, y solamente depende de la naturaleza de los medios; este cociente es el índice de refracción (figura 2).

Interferencias y difracción

Se denomina difracción a la desviación que se produce en la propagación rectilínea de las ondas luminosas cuando pasan por el borde de un objeto opaco. Cuando se usa una fuente luminosa muy fina, el contorno de la sombra de un objeto opaco no es limpio, sino que aparece bordeado de franjas, es decir, de bandas alternativamente sombreadas y brillantes. Estos efectos son debidos a la difracción de la luz, y las franjas de luz y sombra se llaman franjas o bandas de difracción. Este hecho demuestra que la luz, en lugar de propagarse en línea recta, se desvía cuando choca contra el contorno de los cuerpos.
La difracción se puede explicar por medio de las interferencias: se produce interferencia cuando se superponen dos o más ondas, en este caso luminosas. Si las ondas tienen la misma longitud, amplitud y fase, se origina una nueva onda cuya amplitud es la suma de las amplitudes de los componentes, lo cual produce una mayor luminosidad.

La polarización

Los físicos del siglo XIX, incapaces de imaginar un fenómeno ondulatorio sin una sustancia material que sirviera de soporte para la propagación de la onda, conjeturaron la existencia de un misterioso éter que debería llenar todo el espacio y a través del que viajaba la luz en forma de ondas longitudinales. Sin embargo, los físicos no tardaron en advertir la existencia de cristales (como la turmalina y el espato de Islandia) cuyo comportamiento frente a la luz no podía explicarse en el supuesto de que ésta estuviera formada por ondas longitudinales, ya que si se interponen dos delgadas láminas de turmalina entre el ojo del observador y la fuente luminosa, se observa que, al girar una de ellas (perpendicularmente a la dirección del rayo luminoso), la luz aparece y desaparece de forma alternativa. Este fenómeno sólo se puede explicar suponiendo que las ondas luminosas son ondas transversales, lo que significa que la oscilación luminosa tiene lugar perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.Una fuente de luz corriente emite radiaciones que oscilan en todas las posibles direcciones perpendiculares a la dirección de propagación del rayo luminoso. La lámina de turmalina se comporta frente a la luz como una pantalla en la cual se ha abierto una rendija: permite sólo el paso de las radiaciones que oscilan en el mismo sentido que la rendija. La luz así obtenida se llama luz polarizada.
El problema de la existencia o no del éter se mantuvo hasta que Albert Abraham Michelson y Edward Williams Morley probaron con un célebre experimento que no tenía cabida en una teoría seria. Sin embargo, la definitiva refutación de su existencia sólo se produjo a partir de las investigaciones de Albert Einstein.

El láser

Un campo de investigación de la física moderna muy interesante, sobre todo por sus posibilidades de aplicación tecnológica, es el que tiene que ver con los estudios sobre la luz láser.
La luz láser (de las iniciales de light amplification by stimulated emission of radiation, amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación) es debida a la interacción entre una onda electromagnética y la materia, y representa un importante ejemplo, en lo tocante a su interpretación, de la aplicación de las leyes de la mecánica cuántica.

Ver también

En el glosario: Anillos de Newton — Éter — Índice de refracción — Luz — Luz ambiental — Luz blanca — Luz difusa — Luz dura — Luz negra — Radiación — Reflexión — Velocidad de la luz.

En biografías: Albert Abraham Michelson — Alfred Kastler — Augustin-Jean Fresnel — Edward Williams Morley — Ilia Frank — Julius Elster — Miguel Angel Catalán.

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