IX. ¿ONDAS O PARTÍCULAS?

LA TEORÍA electromagnética de la luz propuesta por Maxwell contestó preguntas y resolvió problemas muy importantes. Los principales fueron descubrir que la perturbación que se propaga como ondas de luz está formada por fuerzas eléctricas y magnéticas, y que estas perturbaciones se producen en cargas eléctricas en movimiento. Estos descubrimientos dieron origen a la radio, a la televisión y, en general, a toda la tecnología moderna de telecomunicaciones. Parecía también haber establecido definitivamente que la luz está constituida por ondas esféricas (electromagnéticas) que se producen en cada punto de los objetos luminosos. Sin embargo, en menos de unos diez años se encontró que esto no podía ser totalmente cierto; más bien la luz, en varios nuevos experimentos, daba muestras de estar compuesta por gránulos o corpúsculos y no por perturbaciones continuas como son las ondulatorias.

El experimento más sencillo que muestra la naturaleza granular de la luz consiste simplemente en tomar fotografías de un objeto a diferentes grados de exposición de la película, desde uno muy bajo hasta el adecuado para obtener una buena foto. La figura 35 muestra el resultado de este experimento. La exposición en la primera foto fue 10 000 veces menor que en la última; o sea, que la cantidad de luz que llegó a la placa fotográfica en la primera foto fue también 10 000 veces menor que en la última. En la foto de menor tiempo de exposición, (a) y (b), se observa claramente que la película se va imprimiendo por puntos; como si la luz estuviera formada por gránulos o corpúsculos que llegan a ella separadamente y van dejando marcas individuales en la película. Esto contradice la idea de la luz como ondas esféricas porque éstas son continuas; su efecto en la película también debería ser continuo; y la imagen del objeto debería irse formando poco a poco pero toda completa y no por puntos individuales como se observa.

Figura 35. La naturaleza corpuscular de la luz se observa en fotos de objetos iluminados muy débilmente. La imagen se forma punto a punto, y muestra que la luz llega a la película fotográfica por unidades separadas que los producen.

En las mismas fotos (a) y (b) se puede notar que los puntos que forman la imagen son esencialmente iguales; simplemente hay más puntos en las partes brillantes que en las oscuras. Esto sugiere que los supuestos gránulos o corpúsculos de luz son también esencialmente iguales puesto que producen los mismos efectos en la placa fotográfica.

Cada una de estas unidades es indivisible. Esto se demuestra también fácilmente con una variante del mismo experimento. Se divide en dos la luz que llega a la cámara en el experimento anterior por medio de un semiespejo; esto es, por un espejo que refleja la mitad y trasmite la otra mitad de la luz que le llega (Figura 36). Tomando dos fotografías simultáneamente, una con la luz trasmitida y otra con la luz reflejada, se encuentra que las imágenes en ambas fotos se integran por puntos idénticos a los de las fotos de la figura 35. La única diferencia es que en este experimento las imágenes se integran en el doble del tiempo. Es decir, el semiespejo simplemente reduce a la mitad el número de unidades indivisibles de luz que llegan a la primera cámara y refleja la otra mitad del número de corpúsculos a la segunda cámara.

Figura 36. Experimento para observar la división de la luz en partes iguales. El semiespejo refleja la mitad de la luz que le llega y transmite la otra mitad.

La demostración más impresionante de la naturaleza corpuscular de la luz se puede obtener ahora simplemente advirtiendo cómo se forma la imagen de una estrella con una cámara sobre una placa fotográfica. Como en los experimentos anteriores, en la figura 37 se observa que la imagen de cada estrella en la película se integra con puntos idénticos a los de esos experimentos. Cada una de las unidades indivisibles de luz que producen estos puntos viaja miles de años a 300 000 km/s, desde una estrella hasta la Tierra, y produce en la placa fotográfica una marca idéntica a la que deja cada unidad de luz de un objeto colocado a unos metros de la cámara. Si la luz que produce cada una de estas marcas se hubiera originado en la estrella como una onda esférica, al propagarse a través de las enormes distancias interestelares se habría repartido sobre una inmensa esfera en el espacio sideral llegando a la cámara una parte tan insignificante de ella que no podría producir en la emulsión fotográfica un efecto igual al que produce cada unidad de la luz proveniente de una fuente cercana. Sólo mediante la propagación rectilínea de corpúsculos de luz se puede entender este resultado experimental. Esto, en buena medida, reivindica la hipótesis corpuscular de la luz de Isaac Newton basada en la simple observación de la propagación rectilínea de la luz mediante el sencillo experimento de la figura 1. En efecto, uno de los argumentos principales de Newton en apoyo de la hipótesis corpuscular era que si bien "el sonido de un cañón o de una campana puede oírse tras de una colina que lo oculte", porque el sonido es una perturbación ondulatoria que se propaga a todo el medio que rodea la colina, "las estrellas fijas dejan de verse por la interposición de un planeta", no pudiendo propagarse su luz al otro lado de éste "por estar compuesta de cuerpos pequeñísimos que son emitidos por las sustancias luminosas".

Figura 37. Las fotografías de las estrellas se forman también punto a punto, de la misma manera que las de los objetos cercanos. Los corpúsculos de luz, o fotones, que producen esos puntos viajan miles de años por el espacio sideral hasta llegar a la película fotográfica.

Los corpúsculos de luz manifiestan también su existencia por sus efectos sobre ciertos sistemas que los producen. Por ejemplo, los tubos luminosos que se llaman generalmente "de gas neón", pero que también se fabrican con otros gases, producen luz porque las cargas eléctricas, o electrones, de la corriente que se hace circular por ellos chocan con las moléculas del gas que llena el tubo y agitan las cargas eléctricas que las componen, haciendo que se muevan brevemente, como si fueran minúsculas campanas que vibran a determinadas frecuencias. Cada molécula así excitada produce luz de colores característicos durante un tiempo muy breve, de unas milmillonésimas de segundo, después del cual regresa a su estado original. Se observa también que el gas se calienta durante este proceso. Esto, a su vez, indica que sus moléculas adquieren velocidades mayores que las que tenían inicialmente, porque la temperatura de un gas depende de las velocidades de sus moléculas (Figura 38).

Figura 38. Producción de luz en una lámpara de gas. Las cargas de la corriente eléctrica, o electrones, chocan con las moléculas del gas y agitan las cargas eléctricas que las componen, haciendo que se muevan momentáneamente y produzcan luz de los colores característicos de la molécula.

Supongamos ahora que la luz se produce en ondas esféricas y que cada átomo, al producir luz, es como un pequeño corcho que cae sobre agua y produce una onda circular (Figura 39 (a)). Al caer, el corcho empuja agua en todas direcciones a su alrededor y esto forma la onda circular. Debido a que empuja en todas direcciones el corcho permanece en el mismo lugar en que cayó, pues de haber empujado en un solo sentido se habría movido en la dirección opuesta como lo hace una lancha de motor al empujar agua en una dirección con la hélice. Pero entonces no habría producido una onda circular, sino una más o menos "dirigida" en la dirección del empuje, parecida a la estela que forma tras de sí la lancha de motor al avanzar (Figura 39 (b)). Razonando ahora inversamente, si dejáramos caer muchos corchos sobre agua y encontráramos que adquieren velocidades que no tenían antes de caer concluiríamos que, de alguna manera, cada uno de ellos habría empujado el agua en una sola dirección, adquiriendo, como consecuencia, una velocidad de retroceso en la dirección opuesta.

Figura 39. (a) Un corcho al caer en agua produce una onda circular. El corcho permanece donde cayó porque produce la onda circular empujando agua en todas direcciones simultáneamente. (b) Si el corcho empujara solamente en una dirección, la onda generada no sería circular, sino que estaría dirigida en esta dirección. Por reacción del agua a su empuje, el corcho retrocedería en la dirección opuesta.

De un problema análogo a éste Albert Einstein encontró en 1917 que para dar cuenta correctamente de la temperatura que alcanza un gas cuando sus moléculas emiten y absorben luz es necesario suponer que cada emisión de luz ocurre en una dirección precisa y no como una onda esférica. Cada molécula emisora adquiere así una velocidad de retroceso en dirección opuesta a la de emisión; produciendo el movimiento molecular justamente necesario para dar cuenta de la temperatura del gas. Es decir, Einstein demostró que no existen ondas luminosas esféricas, sino que la luz se emite en direcciones precisas como si estuviera constituida por corpúsculos que el propio Einstein llamó fotones.

El trabajo de Einstein confirmó también la primera hipótesis de la composición granular de la radiación electromagnética. Esta hipótesis fue hecha en 1900 por el físico alemán Max Planck para explicar las longitudes de onda, es decir, los colores de la luz emitida por cuerpos incandescentes, como por ejemplo un lingote de hierro al rojo vivo. Para dar cuenta exactamente de las cantidades de luz emitidas a las longitudes de onda observadas, Planck encontró necesario suponer que la radiación electromagnética de cada frecuencia está compuesta por unidades indivisibles iguales y que cada una de ellas contiene una energía igual a la frecuencia de la onda multiplicada por un cierto número, conocido desde entonces como constante de Planck y que se representa universalmente por la letra h. Es decir, la energía E de cada uno de los "paquetes", o "cuantos", de energía que componen la onda de frecuencia f se obtiene de la llamada "ecuación de Planck": E=hf. Este problema de la física, conocido como el de la "radiación del cuerpo negro", y la célebre ecuación de Planck dieron origen a las ideas modernas de la composición granular, o corpuscular, de la luz.