Naturaleza de la Luz: Dualidad Onda - Corpúsculo

Los fenómenos luminosos y la naturaleza de la luz fueron desde siempre un misterio apasionante que acaparó la atención de los pensadores más antiguos. La historia de la ciencia nos proporciona sucesivas hipótesis que intentan dar una explicación a tales hechos. La principal controversia se centró, durante mucho tiempo, en si la luz era una onda o una partícula (corpúsculo). Hoy día los físicos entendemos que la luz es ambas cosas.

En este apartado veremos:

• Algunas de las primeras teorías formuladas
• Las principales controversias surgidas en el S. XVII en torno a si la luz era una onda o un corpúsculo
• El descubrimiento de un nuevo tipo de ondas, las electromagnéticas, y su relación con la luz
• Qué es la dualidad onda-corpúsculo de la luz

Ahora, viajemos en el tiempo...

Científicos ilustres en el estudio de la luz

El fenómeno de la luz ha ocupado las mentes de algunos de los científicos más importantes de la historia.

Evolución histórica del concepto de la luz

Primeras teorías

Sin pretender más que una escueta referencia, diremos que fueron los filósofos griegos los primeros en abordar la problemática de la visión, predominando la creencia de que la luz era un fluido procedente de los ojos del observador y que, al iluminar los objetos, motivaban la visión. Dentro de esta tendencia puede citarse al célebre matemático Euclides.

Sin embargo, esta suposición planteada por Euclides no logra explicar, por ejemplo, por qué no pueden verse los objetos en la oscuridad sin más que abrir los ojos.

Junto a esta tendencia convivía también otra teoría, cronológicamente algo anterior, cuyo impulsor fue Leucipo (450 a. de J.C.). Según ella, los objetos son algo así como focos emisores de "imágenes" que, con todos los detalles de colorido y tamaño, llegaban a nuestra alma a través de los ojos.

No fue hasta 13 siglos más tarde que una nueva teoría destaca lo suficiente, cuando, alrededor del año 1000 de nuestra era, el árabe iraquí Al-Hacen se refiere a la luz como algo parecido a un proyectil que procede del foco luminoso y al reflejarse en los objetos provoca la visión por nuestros ojos.

Controversias en el S. XVII

En el S. XVII la óptica hizo progresos rapidísimos, gracias al perfeccionamiento de los aparatos de medida y al descubrimiento de la segunda ley de la refracción de Snell en 1620. En esta época surgen dos teorías contrapuestas en torno a la naturaleza de la luz: 

• Teoría corpuscular: En 1671 Newton, partiendo de las ideas de Descartes sobre refracción, llegó a establecer la teoría corpuscular de la luz, según la cual:

  El cuerpo emisor de luz produce corpúsculos luminosos de tamaño diminuto en comparación con la materia ordinaria. Dichos corpúsculos o partículas cruzan el espacio en linea recta siguiendo un m.r.u a altas velocidades chocando con los objetos. El choque de los corpúsculos con la retina permite ver directamente los cuerpos luminosos. El choque de los corpúsculos con los objetos opacos permite ver estos por reflexión de la luz. A cada color corresponde un tipo distinto de corpúsculo.

  Con este modelo:

  • Se podía explicar la propagación rectilínea de la luz en un medio, consecuencia de las trayectorias rectilíneas de los corpúsculos, que se ponía de manifiesto en la existencia de las sombras nítidas de los objetos
  • Se explicaba la reflexión, suponiendo un choque perfectamente elástico de los corpúsculos luminosos con la superficie del objeto opaco iluminado

  • También explicaba la refracción, pero incurría en errores. Concretamente Newton explicaba que, en el caso del agua, los corpúsculos eran atraídos por la superficie del medio transparente, 'acelerando' instantáneamente la componente normal de su velocidad, y manteniendo inalterada la tangencial. La consecuencia era la modificación de la trayectoria de los rayos luminosos, produciendo la refracción. De este modelo se deduce que la velocidad de la luz en el agua debería ser superior a la que tiene en el vacío (cosa que, como veremos, no es cierta).

    

    Explicación corpuscular de reflexión y refracción

    Newton explicaba la reflexión y la refracción de la luz a partir de la cantidad de movimiento $\overrightarrow{p}$  de las partículas. En la figura podemos ver las componentes tangencial ${\overrightarrow{p}}_t$  y normal ${\overrightarrow{p}}_n$  en distintos momentos de la reflexión y la refracción. En el caso de la refracción, la componente normal ${\overrightarrow{p}}_n\text{'}\text{'}$  aumenta su valor, al ser acelerada por el agua según Newton. Esto conduciría a que $\overrightarrow{p}\text{'}\text{'}>\overrightarrow{p}\text{'}$  y por tanto $\overrightarrow{v}\text{'}{\text{'}}_{luz}>{\overrightarrow{v}}_{luz}$ .

  • No bastaba para abordar fenómenos como la difracción, pero esto no supuso un problema en un principio, ya que, aunque la difracción había sido conocida por Grimaldi, no se comprendió en aquella época

   

• Teoría ondulatoria: Desarrollada principalmente por Christian Huygens en 1690, puede resumirse así:

  La luz es una perturbación ondulatoria de tipo mecánico, al igual que el sonido, que se propaga en el espacio en todas direcciones a través de los cuerpos transparentes y a través del espacio interestelar. Tanto los cuerpos transparentes como el espacio interestelar se encuentran ocupados por un medio continuo, el éter. El éter es un fluido perfecto que no presenta oposición a su paso ni obstaculiza el movimiento planetario.

  Con este modelo se podía explicar la propagación tridimensional de la luz desde un foco puntual, la reflexión y la refracción, y, más tarde, las interferencias. En su contra se argumentaba que si las ondas luminosas fueran de igual naturaleza que las sonoras, debería verse detrás de las esquinas, de acuerdo al principio de difracción, al igual que puede oirse una conversación que tenga lugar al otro lado las mismas. Hoy sabemos que la luz también se refracta, aunque sus efectos apenas son perceptibles debido a las longitudes de onda involucradas y al tamaño de los obstáculos.

Finalmente, las experiencias de Young y Fresnel a principios del S. XIX sobre interferencias y las medidas de la velocidad de la luz en medios más densos que el aire (como el agua), llevadas a cabo en 1850 por Jean Bernard Léon Foucault, probaron definitivamente que hay fenómenos ópticos que sólo pueden explicarse con la teoría ondulatoria. Sin embargo, y a pesar de quedar bien establecida a mediados del S. XIX, aún quedaba el problema subyacente de explicar qué era aquello del éter propuesto por Huygens.

La luz como onda electromagnética

Fue Maxwell en 1873 quien impulsa un gran avance en el conocimiento de la naturaleza de la luz, al demostrar teóricamente que los circuitos eléctricos oscilantes debían radiar ondas electromagnéticas cuya velocidad era la de la luz. En 1887, Hertz lograría reproducir estas ondas y demostrar que obedecían a los mismos fenómenos que las ondas luminosas: reflexión, refracción, interferencias, difracción, polarización…

Esta teoría parecía definitiva y a finales del S. XIX era creencia de la gran mayoría de científicos que, el conocimiento sobre la naturaleza de la luz estaba ya totalmente culminado.

Dualidad onda - corpúsculo

Parecía que el enigma de la luz había sido, por fin, resuelto. Sin embargo algunos fenómenos, que a primera vista parecían triviales, seguían sin explicación:

• Radiación del cuerpo negro: Todos los objetos emiten radiación electromagnética. Un cuerpo negro es una herramienta teórica que usamos para estudiar dicha emisión. Se trataría de un objeto ideal capaz de absorber toda la luz y energía radiante que incide sobre él y, a su vez, emitirla, sin reflejar nada. El estudio preciso de este instrumento queda fuera del alcance de este nivel, pero hay que señalar que cuando se comenzó a medir el espectro de dicha radiación en distintos objetos, es decir, la intensidad de radiación emitida a diferentes longitudes de onda, se dieron cuenta que dicho espectro se modificaba con la temperatura, pero no era afectado en modo alguno por la índole de la sustancia que emitía la radiación. Así, el filamento incandescente de una lámpara emitía exactamente la misma luz ya fuese de acero, plata o tungsteno. Según la física clásica el patrón del espectro no correspondía a lo predicho en la teoría
• Efecto fotoeléctrico: Se trata de la emisión de electrones producida por determinadas sustancias, principalmente metales, cuando sobre ellas incide una rayo luminoso u otra radiación. Para que se desencadene el fenómeno, la luz incidente sobre el metal debe contar, al menos, con una determinada frecuencia umbral. De nuevo la física clásica se veía incapaz de explicar adecuadamente esta dependencia con la frecuencia y no con la intensidad que se daba en los experimentos en los que este fenómeno era estudiado

Célula Fotoeléctrica

El efecto fotoeléctrico se pone de manifiesto en una célula fotoeléctrica o fotocélula. Consta fundamentalmente de un tubo (normalmente de cuarzo o vidrio) en el que se ha hecho el vacío previamente y con dos electrodos en su interior. Los electrodos están unidos a una fuente de alimentación variable. La luz puede incidir en una de las placas metálicas a través de un fototubo, provocando, bajo ciertas condiciones, la aparición de una corriente.

Fueron estos fenómenos los que llevaron a científicos como Albert Einstein o Max Planck a admitir que la luz se comporta como si estuviera formada por unos corpúsculos o partículas a los que actualmente llamamos fotones. El efecto Compton, descubierto en 1923, vino a confirmar estas suposiciones. Así, en la década de los años 20 del S. XX se asentaron las bases de la mecánica cuántica. Según sus principios, a escala atómica la contraposición onda - corpúsculo no tiene sentido pues a esa escala ambas realidades se manifiestan indistintamente. Debemos pues, renunciar a la imagen de una partícula subatómica como una porción de materia diminuta.

Finalmente, ten presente que el nuevo paradigma introducido por la mecánica cuántica asume que no sólo las ondas electromagnéticas (la luz) presentan propiedades propias de las partículas, sino que también las partículas presentan carácter ondulatorio, como lo prueba el hecho de que pueden difractarse.