La luz: dualidad onda-corpúsculo, experimentos y el error de la mecánica clásica

¿Qué es la luz? Es muy probable que alguien que nunca haya estudiado aquéllo de lo que hoy voy a hablar más de una vez se haya comido el coco pensando en esta pregunta.

Desde el principio de la filosfía, la respuesta a esta cuestión ha estado dividida, principalmente, en dos puntos de vista. El primero de ellos el que pensaba que la luz era una onda, y el segundo que eran una sucesión de partículas o corpúsculos que se desplazaban en línea recta a partir de un foco emisor. Hoy hablaremos de la larga historia de este tema, y de cómo acabó trayendo de cabeza a los físicos de finales del XIX.

Para empezar con ello, es imprescindible hablar también del antiguo debate sobre si la materia es continua o si está cuantizada. Es decir, si todo se podía descomponer en infinitos pedazos infinitamente pequeños, o si por el contrario acabaría llegando el momento en que la materia no se pudiese dividir más, y formase una estructura fija e irrompible. De esta segunda rama surgió el concepto puramente teórico del átomo (no-partes).

No obstante, y pese a que hoy en día se ha demostrado lo contrario, en la antigua Grecia tuvo mejor aceptación el pensar que le materia era perfectamente divisible sin límite alguno. Esto no es de extrañar si se tiene en cuenta que, como ya expliqué, opinaban que ese ente superior bautizado por Platón como Demiurgo debió de crear el Universo buscando la perfección, y que esta se encontraba en la infinidad y en la eternidad.

La consecuencia de que la materia fuese continua para el tema de hoy es que, evidentemente, los haces de luz (considerados sucesiones de materia luminosa), también tendrían que ser continuos y completamente divisibles.

Además, en aquéllos tiempos hubo quien supuso que la luz era emitida por los ojos para capturar las imágenes y que luego volvía a ellos con la información obtenida. Cosa que hoy sabemos que es completamente falsa.

Y en lo referente a esto, poco más se puede decir de la antigua Grecia.

Con la llegada del Renacimiento y el consecuente renacimiento de la física, las investigaciones volvieron a abrirse camino, y esta vez los dos frentes estaban bastante bien argumentados.

Por un lado estaban otra vez los que consideraban que la luz era material, y lo defendían explicando que sólo así se podían explicar fenómenos como la reflexión, en la que los haces de luz, al chocar con una superficie, retrocedían exactamente con el mismo ángulo de incidencia. Asimismo, era imposible que se tratase de una onda ya que en ese caso tendría que penetrar en algunos recintos cerrados, como lo hacía el sonido.

Por el otro lado estaban aquéllos a quienes les convencía más pensar que se trataba de una onda, y el principal motivo para sostener esta teoría residía en el hecho de que la luz no tiene masa, y si fuese materia debería tenerla.

De los dos bandos, el que una vez más salió ganando durante un largo tiempo fue el primero, ya que contó con el apoyo del personaje más célebre de la física del momento: Isaac Newton.

Y fue necesario esperar a que Newton desapareciese del panorama para que alguien se atreviese a seguir investigando las propiedades ondulatorias de la luz sin que resultase una falta de respeto a un personaje célebre. Así surgió el relativamente conocido Experimento de Young o de la Doble Rendija, a finales del siglo XVIII. Dicho experimento, además, está considerado como uno de los más bonitos en la historia de la ciencia.

El único material que necesitó este físico para cambiar la historia del estudio de la luz fueron un par de cajas con forma de prisma ortogonal apoyadas sobre una mesa, cada una con un agujero circular de diferente tamaño en uno de sus lados.

En un principio colocó un foco delante de la que tenía el mayor agujero y lo iluminó. El resultado fue el esperado: la luz se propagó en línea recta y el interior del lado opuesto de la caja al del agujero quedó iluminado por un círculo de luz del mismo tamaño que el agujero.

Después enfocó el agujero pequeño de la otra caja, pero en esta ocasión el resultado fue diferente: la luz se propagó en todas direcciones tras atravesar el agujero y la zona iluminada fue mucho mayor que este, si bien seguía siendo circular.

¿Cómo se puede explicar esto? Pues la respuesta fue muy fácil para aquéllos para los que la luz era una onda. En el primer experimento el agujero era muy grande, bastante más que la longitud de onda descrita por el haz de luz, lo que le permitió propagarse en línea recta sin problema. En el segundo experimento, en cambio, el agujero era más pequeño que la longitud de onda del haz luminoso, lo que provocó una alteración en el mismo para que pudiese pasar, e hizo que su trayectoria recta de dividiese en múltiples haces de luz más pequeñitos con direcciones oblicuas respecto a la original.

Pero Young, no satisfecho con este resultado, quiso ir más lejos, y ahora si, llegamos a la doble rendija.

Tras el experimento anterior, siguió trabajando con la caja del agujero pequeño, a la que la arraconcó una fina tira de metal de la parte de superior que la atravesaba de lado a lado, paralela al lado con el agujero. Por esta nueva ranura introdujo dos placas metálicas que cerraban de nuevo la caja, atravesándola de arriba a abajo por el medio, y dividiendo su interior en dos recintos separados, uno con el agujero y otro sin él. Después, a la rendija más próxima al agujero, le hizo dos orificios casi en cada extremo y la volvió a introducir en la caja.

Entonces iluminó una vez más el mismo agujero con un haz de luz semejante al del primer experimento, dando el mismo resultado. La placa metálica fue iluminada por un haz circular de mayor radio que el agujero, sin que ninguno de sus orificios (taponados por detrás por la otra placa) quedase iluminado.

Hasta aquí todo parecía normal, pero Young se guardaba un as en la manga. En esta ocasión extrajo la otra placa y le hizo dos orificios exactamente iguales que a la anterior, para después ubicarla junto a ella haciendo coincidir sus orificios. Tras esta modificación, las dos partes de la caja quedaron comunicados por los nuevos agujeros en las placas que los dividían. Solo entonces Young se dispuso a iluminar de nuevo el agujero.

En un principio podría parecer que este experimento estaba de más, ya que antes la luz no llegó a los orificios interiores, pero sin embargo en esta ocasión no solo los alcanzó, sino que la luz llegó también a la otra sección de la caja, generando una tira de proyecciones en el lateral opuesto al del agujero que alternaban luz y oscuridad. Increible.

Las proyecciones luminosas alternativas fueron claramente explicadas a partir de la teoría ondulatoria del mismo modo que el choque entre varias olas del mar, que siempre de la lugar a crestas más grandes donde chocan los centros de las mismas, y a zonas más bajas en el resto del impacto. Allí había pasado lo mismo. Donde las crestas de los haces de luz que venían de cada orificio chocaron de frente, se formaron imágenes más claras, y en el resto de las zonas la luz se extinguió dejando lugar a la oscuridad.

Sin embargo, lo más sorprendente del experimento es otra cosa. ¿Por qué cuando las dos secciones de la caja estaban separadas la luz chocaba de frente con la primera placa y, sin embargo, cuando estaban comunicadas ésta daba un rodeo para atravesar los orificios y llegar a todo el recinto? ¿Cómo puede saber el haz luminoso antes de propagarse si se va a encontrar con un obstáculo o no? La respuesta a esto se sigue buscando hoy en día.

Así pues, nos adentramos en el siglo XIX con la duda de si la luz es una onda o es material, sin saber cómo conoce su recorrido antes de realizarlo, y sin poder explicar su ausencia de masa haciéndola compatible con la reflexión y la refracción. Aunque, como es de entender, después de los experimentos de Young la física se centró más en apoyar la teoría ondulatoria.

El siguiente punto a tratar fue calcular exactamente a qué velocidad se movía la luz. Para ello usaron el método por excelencia, basado en los sistemas de referencia de Galileo: dejar escapar un haz de luz y medir a qué velocidad se alejaba del punto de partida. El resultado fue el conocido valor de 300000km/s. Para asegurarse de que este resultado era cierto, cambiaron ligeramente el experimento y sobre los extremos de una línea recta ubicaron un foco y un científico con un cronómetro, montado en un vehículo que se desplazaría hacia el foco a x km/s. En el instante en que dicho vehículo arrancó, encendieron a la vez el foco. Según la mecánica clásica, el haz y el científico se aproximarían el uno al otro a una velocidad v = 300000 km/s + x km/s. Sin embargo, descubrieron que la velocidad a la que se aproximaban era de nuevo la de la luz.

¡Pero eso es muy complicado!, pensaréis más de alguno. Y entonces estaríais equivocados. No es muy complicado: es imposible. Carece de lógica que dos cuerpos en movimiento, yendo uno hacia el otro, se aproximen a uno velocidad igual a la de tan solo uno de ellos, como si el otro no estuviese formando parte del experimento. Un verdadero caos.

Después de esto comprenderéis que era completamente necesario que alguien organizase semejante incoherencia, pero esa ya es otra historia. Era el fin de la mecánica clásica.

La ingenua relatividad de Galileo Galilei y las leyes de Newton

Desde hace mucho tiempo, concretamente desde la antigua Grecia, es sabido que todo está en movimiento en universo, y que por ese motivo el concepto de que algo esté quieto carece de sentido a nivel macroscópico.

Es por eso que se estableció el llamado modelo de los sistemas de referencia, dentro del cual en principio la inmovilidad es coherente, despreciendo el movimiento del universo. Estos sistemas de referencia, como su propio nombre indica, se basan en observar los movimientos desde un lugar concreto, es decir, un punto de referencia, y estudiarlos tal y como se ven desde ese punto, aunque puedan contradecir a otros sistemas.

El ejemplo más típico para entender esto es el de el avión que sobrevuela una ciudad y la persona que lo observa paseando por la calle. En este caso es evidente que el viandante juzgará que el avión está en movimiento, porque desde su sistema de referencia está desplazándose sin ninguna duda. Pero, ¿y qué pasa con los pasajeros que van dentro del avión? ¿Podrían ellos deducir que este está moviéndose si sus ventanas estuviesen cerradas y una fuerte insonorización les impidiese escuchar elrozamiento con el aire? No. Sin duda para ellos el avión estaría quieto, porque en su sistema de referencia el avión no se estaría alejando de ellos, ni tampoco acercándose o dando vueltas a su alrededor. E incluso es probable que aunque escuchasen el choque con el viento más bien pensasen que hace un día de fuertes vendavales (todo esto imaginando que no saben que se están desplazando en avión antes de entrar, claro).

Y este es el mejor resumen de la estructura de los sistemas de referencia inaugurados por Galileo, los cuales, al ser relativos a la posición de su punto de referencia, dan lugar a la relatividad. “Todo es relativo en función de cómo se mire”. No obstante, no hay que malinterpretar esta frase. Aquí no se está diciendo que el universo tenga una realidad relativa para cada “ser”, sino que cada “ser” tiene un relativo y limitado punto de vista del universo absoluto. Por eso anteriormente expliqué que a nivel individual lo importante siempre es satisfacer nuestro punto de vista, pues es imposible que concuerde con todos los demás simultáneamente.

Y a partir de esta teoría surgen unas interesantes conclusiones que todo el mundo sabe pero que nunca se ha parado a reflexionar sobre las mismas, dada su propia evidencia. No obstante, el tiempo ha demostrado que no todo es tan simple como lo dejó explicado Galileo, y es por eso que califico a su relatividad de ingenua.

Algunas de las conclusiones son las siguientes: un cuerpo que se mueve a una velocidad constante siguiendo una trayectoria recta se acerca o se aleja a una velocidad igualmente constante a un punto de referencia fijo (nunca podría conservar la distancia ya que para ello tendría que describir órbitas circulares alrededor del mismo; un punto de referncia en movimiento rectilíneo uniforme se aleja a velocidad constante de otro punto fijo externo a él; un sitema de referencia en movimiento rectilíneo, a su vez, también se aleja o se acerca a velocidad constante de otro sistema con su mismo tipo de movimiento. Y a través de esta última deducción, tan evidente, será como se descubra que todos estos sistemas están mal definidos y que siglos después sería necesario aplicar las llamadas correcciones relativistas.

Para ser más exactos e ir introduciéndonos un poco en el tema, diré que el error se encontró en cierto experimento en el que se dio por hecho que dos cuerpos que se aproximan en la misma dirección lo hacen a una velocidad resultante de sumar la de ambos. Asimismo, también se falseó que dos cuerpos que se alejan en la misma dirección no lo hacen a una velocidad derivada de la suma de la de ambos, y que cuando uno persigue al otro en las mismas condiciones la velocidad a la que se aproxima no es igual a la suya menos la del que escapa. A partir de esto, todas las otras hipótesis resultaron automáticamente erróneas.

Pero pese a todo ello, la relatividad de Galileo se aproximaba excepcionalmente a la realidad, y no merece ser despreciada para nada. Como ya dije, lo importante es que en la práctica fueran efectivas, o, mejor dicho, en “sus” práctricas.

Y después de esto, junto con lo ya explicado en la anterior parte, ya solo faltarían unos pequeños matices para completar lo que se podría considerar la mecánica clásica, tanto celeste como “normal”. Estos matices fueron las leyes fundamentales del movimiento de Newton:

Primera: Todo cuerpo que se mueve en un sistema al margen de la interacción de fuerzas continúa su movimiento de un modo rectilíneo y sin alterar su velocidad. Esto es completamente cierto incluso con las correcciones relativistas, ya que este caso es inexistente en nuestra realidad.

Segunda: El módulo, la dirección y el sentido del movimiento de un cuerpo viene dado como el resultado de la composición de todas las fuerzas que actúan sobre él.

Tercera: Toda acción produce una reacción, o dicho de otro modo, toda fuerza genera otra en la misma dirección y sentido contrario que igualaría, superaría o sería inferior a la misma, según el caso. Aparece así el denominado efecto del rozamiento entre cuerpos, que frena todos los movimientos que no estén impulsados por fuerzas continuas. Esta ley es la razón de que la primera carezca de sentido.

Y descubierto todo esto, durante mucho tiempo se consideró que la mecánica ya no guardaba ningún secreto para el hombre.