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.

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.

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Comments
4 Responses to “La luz: dualidad onda-corpúsculo, experimentos y el error de la mecánica clásica”
  1. Ismael A. RomeroA. dice:

    Muchas son las cosas que en el mundo de la ciencia, no han tenido una una respuesta satisfactoria, de parte de los que están dedicados a la búsqueda de la verdad del mundo visible cicundante. Tan solo aproximaciones tenemos hasta ahora -bastante buenas por cierto.
    ¿Me gustaria saber por medio suyo, que hay en cuanto a otros aspectos de la física?

    Gracias
    Soy tan solo, un niño curioso que siempre ha sido impulsado a conocer la vedad de lo hay en este universo visible.

  2. alexander ovalles dice:

    es muy interesante lo que comentas y esta bien resumido, soy artista e intento de explicar mi trabajo plástico con lo cual he tenido que estudiar estos concepto por que el arte y la filosofía no son suficientes, el resultado es una teoría, la denomino teoría de la sintonización cuando la termine ne gustaría saber tu opinión, hasta la próxima.

  3. paz dice:

    cual es la dualidad de la luz? que se explique bien prfavor :D

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