XIII. �QU� ES LA LUZ?

ANTES de seguir narrando el desarrollo de la electricidad y el magnetismo, haremos otro par�ntesis para entender el contexto en que se hicieron los descubrimientos cruciales de Maxwell. Necesitaremos entender qu� es lo que se sab�a a mediados del siglo XIX sobre la naturaleza de la luz.

Desde la antig�edad el hombre se pregunt� qu� es la luz. Esta cuesti�n dio lugar a una serie de problemas muy sutiles.

El italiano Galileo Galilei (1564-1642) ya sab�a que un rayo de luz se propaga en l�nea recta y que, si su velocidad es finita deber�a tener un valor muy grande. En 1675 el dan�s Olaf Roemer, al observar eclipses de las lunas del planeta J�piter hizo la primera medici�n de la velocidad de la luz y obtuvo el extraordinario n�mero de alrededor de 300 000 km/s. En esa �poca tambi�n se conoc�an otros fen�menos que experimentaba la luz: la reflexi�n y la refracci�n.

La reflexi�n ocurre cuando un rayo de luz llega a una superficie que est� pulida y se regresa. Si i es el �ngulo con que incide el rayo sobre la superficie, como se muestra en la figura 18, entonces resulta que el rayo reflejado forma un �ngulo r de reflexi�n igual al incidente i. Este resultado se llama la ley de la reflexi�n. Un ejemplo bien conocido ocurre con un espejo.

Figura 18. Cuando la luz incide sobre una superficie pulida se refleja.

Un rayo de luz experimenta refracci�n al pasar de un medio a otro. Por ejemplo, cuando un rayo de luz est� en el aire y llega a una superficie de agua, una parte de la luz se transmite en el agua.

Sin embargo, el rayo dentro del agua cambia la direcci�n de su propagaci�n. Este fen�meno constituye la refracci�n. En ella, los �ngulos de incidencia i y de refracci�n j (Figura 19) no son iguales. La relaci�n entre estos �ngulos depende de las caracter�sticas de las dos sustancias en que se propagan los rayos. La ley de Snell explica el comportamiento del rayo transmitido, en t�rminos del rayo incidente y de propiedades de los medios. Por este fen�meno, cuando un l�piz est� metido parcialmente dentro de un vaso de agua lo vemos como si estuviera partido.

Figura 19. Cuando la luz pasa de un medio a otro cambia su direcci�n de propagaci�n, se dice que se refracta.

En el siglo XVII los principales fen�menos conocidos de la luz eran la reflexi�n y la refracci�n. El gran cient�fico ingl�s Isaac Newton (1642-1727) propuso un modelo para explicar el comportamiento de la luz. Supuso que la luz estaba compuesta de corp�sculos diminutos que se mov�an con cierta velocidad. As� explic� la reflexi�n simplemente como un rebote de las peque��simas part�culas al chocar con una superficie que separa a dos medios. Adem�s, con la hip�tesis corpuscular de la luz, dio argumentos que explicaban por qu� la luz cambia su direcci�n, debido a que al pasar los corp�sculos de un medio a otro cambian su velocidad.

Una propiedad muy importante de la luz es el color. Newton descubri� que la luz blanca estaba compuesta en realidad de varios colores. Hizo un sencillo experimento en el que una luz blanca, por ejemplo la del Sol, se hac�a pasar a trav�s de un prisma. Se dio cuenta de que la luz que emerg�a del otro lado del prisma estaba compuesta de rayos que ten�an los colores del arco iris. As� descubri� que al atravesar el prisma, un rayo de luz de un color se desv�a, o refracta, de manera distinta a un rayo de otro color.

Otro fen�meno que estudi� Newton fue el siguiente: cuando un haz de luz blanca incide sobre una burbuja de jab�n se forman regiones oscuras intercaladas con regiones iluminadas. Esto mismo ocurre cuando un haz incide sobre un vidrio esf�rico que se coloca sobre una placa plana de vidrio, dejando una capa de aire muy delgada entre ellos. Se forma un patr�n de luz como el mostrado en la figura 20. Newton hizo mediciones muy precisas en las que relacion� los anchos de las regiones, tanto iluminadas como oscuras, con la curvatura del vidrio. Encontr� que para cada color se ten�a una regi�n iluminada de un ancho distinto. Newton lleg� la conclusi�n de que, hablando en terminolog�a moderna, hab�a algo peri�dico en el comportamiento de la luz, pero no pudo determinar su naturaleza.

Figura 20. Anillos de Newton.

Otro fen�meno luminoso que Newton lleg� a conocer, la llamada difracci�n de la luz, fue descubierto en 1665 por el italiano F. M. Grimaldi. �ste hizo una peque��sima perforaci�n en la persiana de su ventana, que daba al Sol. En la trayectoria de la luz que pas�, coloc� un peque�o objeto y observ� con detenimiento la sombra que proyectaba sobre una pantalla. Encontr� que el extremo de la sombra no era n�tido sino difuso, y qne adem�s se formaban bandas de color en donde se alternaban regiones iluminadas y oscuras. De otras observaciones que hizo, Grimaldi lleg� a la conclusi�n de que la luz "se voltea" alrededor de los bordes de obst�culos opacos iluminados por una fuente muy peque�a de luz.

La difracci�n fue otro fen�meno que reforz� la idea de Newton de que hab�a algo peri�dico en el comportamiento de la luz. Sin embargo, estas periodicidades no le hicieron cambiar su idea de que la luz estaba compuesta de corp�sculos, pues crey� que las periodicidades eran efectos secundarios causados por los distintos medios con los que la luz entraba en contacto, m�s que una propiedad intr�nseca de la luz.

El prestigio inmenso de que goz� Newton hizo que los cient�ficos de todo el siglo XVIII aceptaran el modelo corpuscular de la luz.

A principios del siglo XIX el f�sico ingl�s Thomas Young (1773- 1829) inici� un trabajo de an�lisis y experimentaci�n muy amplio con rayos de luz. Lleg� a la conclusi�n de que todos los fen�menos luminosos conocidos se pod�an explicar bas�ndose en la idea de que la luz estaba compuesta por ondas. Explic� que los anillos de Newton se formaban por la interferencia de ondas. As�, la banda oscura se deb�a a que en ese lugar dos ondas se compon�an destructivamente: una onda ten�a un signo y otra ten�a el signo inverso (Figura 21), mientras que en otro lugar ocurr�a que las dos ondas ten�an los mismos signos, o sea, se compon�an constructivamente y daban lugar a una zona muy iluminada (Figura 22). Comprob� sus ideas haciendo diversos experimentos. Uno de los m�s notables fue la interferencia con dos rendijas. Este consiste en hacer incidir un haz de luz sobre una pantalla opaca (Figura 23) con una rendija. La luz que pasa por esta rendija se hace incidir sobre otra pantalla que tiene dos rendijas. En una tercera pantalla se forma un patr�n como el mostrado en la figura 24, donde vemos bandas iluminadas altern�ndose con bandas oscuras. La explicaci�n dada con respecto a las figuras 21 y 22 se aplica a este patr�n observado.

Figura 21. Dos ondas fuera de fase interfieren destructivamente, creando zonas oscuras.

Figura 22. Dos ondas en fase interfieren constructivamente, creando zonas iluminadas.

Figura 23. Arreglo experimental de Young para estudiar la interferencia de la luz que pasa por la placa con dos rendijas.

Figura 24. Fotograf�a del patr�n de interferencia obrenido por Young.

Sin embargo, Young no pudo explicar satisfactoriamente el fen�meno de difracci�n con base en la hip�tesis ondulatoria.

Las ideas de Young fueron atacadas fuertemente e ignoradas durante m�s de una d�cada. Fueron retomadas en Francia por Augustin Fresnel (1 78 827), quien mejor� la concepci�n ondulatoria de la luz y pudo explicar el fen�meno de difracci�n.

En Francia se gener� una gran controversia sobre la hip�tesis de que la luz era una onda. El famoso cient�fico S. D. Poisson, con su gran dominio de las matem�ticas, hizo diversos c�lculos basados en la teor�a de Fresnel y concluy� que ten�a una consecuencia que le pareci� absurda. Seg�n Poisson, si se hac�a caso a esta teor�a, en ciertas circunstancias bien determinadas, cuando se proyectara un haz de luz, en el centro de la sombra de un disco opaco circular, �deb�a haber una zona iluminada! (Figura 25). Dec�a que esto no era posible ya que iba contra el sentido com�n. Preocupado, Fresnel realiz� un experimento en las mismas condiciones de los c�lculos de Poisson y observ�, para su sorpresa, que efectivamente en el centro de la sombra se formaba una regi�n iluminada. Esto se muestra en la figura 26.

Figura 25. Poisson hizo ver que, seg�n la teor�a ondulatoria de la luz, en ciertas condiciones bien determinadas deber�a haber una zona iluminada en el centro de la sombra de un disco opaco.

Figura 26. Resultado del experimento de Fresnel en las condiciones propuestas por Poisson. En el centro de la sombra s� hay una regi�n iluminada. N�tese que tambi�n hay una zona iluminada en el centro del alambre que sostiene el disco. En esta fotograf�a se percibe adem�s el patr�n de difracci�n en los bordes de la sombra.

Este resultado caus� sensaci�n e hizo que los principales cient�ficos aceptaran la hip�tesis ondulatoria de la luz. M�s tarde se descubrieron otros tipos de fen�menos luminosos, como la polarizaci�n y la dispersi�n, que solamente se pudieron explicar con base en la hip�tesis ondulatoria. Hacia los a�os de la d�cada de 1830 la hip�tesis de Newton sobre la naturaleza corpuscular de la luz ya hab�a sido pr�cticamente abandonada en favor de la ondulatoria.

Sin embargo, una cuesti�n crucial todav�a quedaba sin resolver. Cuando hay una onda, algo es lo que ondula. En el ejemplo de la cuerda, �sta era la que ondulaba: en el caso del estanque, el agua es la que ondula, y cuando se propaga una onda sonora, el aire es el que ondula. La cuesti�n que no se pudo responder es: en el caso de la luz, �qu� es lo que ondula? Como veremos en el pr�ximo cap�tulo este problema fue resuelto, sin propon�rselo, por Maxwell.