Que é a luz? Unha interesante e bonita historia

Vimos, xa hai tempo, que a luz ilumina o mundo físico que nos rodea e así nos permite gozar as belezas da natureza. Por iso dicimos que a ciencia é como a “luz”, porque ilumina os arcanos recónditos da natureza, aquilo que non se ve a primeira ollada, para dar satisfacción á nosa intelixencia e beneficiar á humanidade.
Por outra banda, descubrimos que a luz alimenta a vida do planeta, algo que non valoramos dabondo. Por iso dicimos que a Verdade é como a “luz”, porque a Verdade alimenta a vida do espírito.
Moitos méritos, pois, reúne xa a luz, méritos que, por se sós, á marxe doutros moitos que tamén ten, colócana nunha situación de privilexio no mundo físico e fana merecedora de admiración, de recoñecemento e de ser considerada símbolo de moitas cousas boas.
Pero a curiosidade do “homo sapiens” de todos os tempos, non coñece límites e con razón continuou facéndose preguntas. Hoxe, cando xa o Ano Internacional da Luz camiña cara ao seu fin, queremos facernos eco dunha pregunta fundamental, cuxa contestación ocupou aos científicos durante séculos e constitúe un exemplo do devir científico.

A natureza da luz. Teorías

En efecto, desde hai séculos, no ámbito científico se vén formulando a pregunta: Cal é realmente a natureza da luz? Unha pregunta de difícil resposta, como tantas outras. Porque a natureza da luz non se ve directamente e por iso, para responder a esta inquietude, unha vez máis necesitaremos poñernos “as lentes” do método científico, para tentar penetrar máis aló do que se ve e aproximarnos á realidade deste fenómeno, ao que non temos acceso directo.
Polas súas obras coñecerédelos
Para empezar, vén ao caso citar aquí, aínda que nun contexto ben diferente, a frase do Evanxeo “polas súas obras coñecerédelos”. Porque se queremos pescudar algo sobre a natureza da luz, habemos de observar o seu comportamento e tratar de deducir algunhas conclusións respecto diso. O método científico sempre empeza o seu camiño “observando” e en función do observado, emitindo hipóteses e teorías, que ha de confirmar, cando o que se busca non admite observación directa, como ocorre neste caso.
O comportamento da luz (Observación)
Remontámonos a finais do século XVII. Entón sabíase:
a) Que a luz era portadora de enerxía, como xa vimos.
b) Que a luz se propagaba en liña recta, algo fácil de constatar.
c) Que a luz se reflectía sobre unha superficie lisa non transparente. Un fenómeno ben coñecido.
d) Que a luz se refractaba ao pasar dun medio a outro, é dicir, cambiaba de dirección. Un fenómeno igualmente constatable con facilidade.
e) Que a luz contiña cores que se podían separar, como no arco iris.

Que opinaba Isaac Newton sobre isto? (Hipóteses – Teoría)
Á vista destas observacións e para explicar estes feitos, un científico de prestixio, nada menos que Isaac Newton, supuxo, como hipótese, que a luz estaba formada por partículas de distintos tamaños, emitidas polo foco luminoso, que se propagaban en liña recta a gran velocidade.
As partículas en movemento son portadoras de enerxía. Ao incidir sobre unha superficie adecuada chocarían con ela elásticamente, é dicir, reflectiríanse. Ao achegarse a outro medio máis denso, as partículas, máis atraídas por este, aumentarían a súa velocidade cara á superficie e modificarían a súa dirección, é dicir, se refractarían. Os seus distintos tamaños serían responsables das cores.
Esta era a teoría corpuscular da luz.
Christiaan Huygens tamén tiña o seu punto de vista (Hipóteses – Teoría)
En efecto, para explicar os mesmos feitos, case ao mesmo tempo, outro científico importante, o holandés Christiaan Huygens propuxo un modelo distinto sobre a natureza da luz. Segundo as súas hipóteses a luz consistiría nun movemento ondulatorio mecánico, como o son ou a onda que se produce nun estanque ao arroxar unha pedra. Ambos os dous movementos ondulatorios, son e onda de auga, necesitan, para se propagar, dun medio material, como o aire no caso do son e a auga no caso da onda de auga. Así pois, Huygens tivo que admitir a existencia dun hipotético medio material, non identificado, que habería de estenderse a todo o espazo no que se propaga a luz, medio ao que chamou éter.

O conxunto de todos os puntos do medio material, alcanzados polo movemento ondulatorio nun instante dado, coñécese como fronte de ondas. Segundo Huygens, cada un dos puntos da fronte de ondas pódese considerar como orixe de novas ondas, das mesmas características. Así se podían explicar as propiedades da luz, entón coñecidas.
Este conxunto de hipóteses é tamén unha teoría, outra teoría, a teoría ondulatoria da luz.

Ondas ou partículas? Unha controversia con resultado sorprendente

Destas dúas teorías, como de todas as teorías, non se pode dicir que son verdadeiras ou que son falsas. Dise que son útiles na medida en que explican os feitos coñecidos e tamén as novas observacións que se vaian producindo. Mentres sexa así, poderemos dicir que todo ocorre coma se a luz estivese formada por partículas... (no primeiro caso), ou ben, que todo ocorre coma se a luz estivese formada por ondas… (no segundo caso).
As dúas teorías (ou modelos) explicaban os feitos entón coñecidos.
Prevalece a teoría corpuscular
Ante esta encrucillada científica inicialmente prevaleceu a teoría corpuscular, avalada polo prestixio de Newton.
Pero a inquedanza case viciosa da mente humana non deixou de traballar e seguiu observando, supoñendo e comprobando. A controversia estaba servida e a evolución desta disxuntiva científica sería sorprendente. Todo un exemplo do que é a ciencia.

Rexorde a teoría ondulatoria
En 1801, Thomas Young, experimentando coa luz, descubriu o fenómeno das interferencias. Observou que cando a un punto chegaba luz procedente de dous focos, podía ocorrer que nese punto observásese luz máis intensa que cando a luz chegaba dun só foco ou que se observase luz menos intensa (mesmo escuridade). No primeiro caso as intensidades dos raios procedentes de ambos os focos, por ir en fase, sumaríanse, é dicir, produciríase unha interferencia construtiva, mentres que no segundo, por ir en oposición de fase, restaríanse e a interferencia sería destrutiva.
Uns anos despois, Agustín-Jean Fresnel interpretaba tamén o fenómeno de difracción, descuberto previamente por Grimaldi, como un fenómeno de interferencias que ten lugar en condicións especiais.
A teoría corpuscular non puido explicar estes fenómenos de interferencias e difracción, mentres que si puido facelo a teoría ondulatoria. Ademais, en 1848 mediuse a velocidade da luz en diferentes medios, observándose que en medios máis densos que o aire a velocidade era menor, en contra do suposto na teoría corpuscular.
Todo parecía indicar, por tanto, que a teoría corpuscular xa non era útil para explicar estes feitos e que había de ceder o paso á teoría ondulatoria. Todo ocorríría coma se a luz estivese formada por ondas.
Con todo, esta teoría aínda tiña que aclarar a existencia do “éter”, esa sustancia que se supoñía necesaria para a propagación das ondas.
A teoría ondulatoria perfecciónase e consolídase
Michael Faraday estableceu as bases para resolver o problema do éter, cando en 1847 postulou que a luz estaba formada por ondas electromagnéticas de alta frecuencia.
En 1865 James Clerk Maxwell profundou no estudo fisicomatemático das ondas electromagnéticas: son perturbacións eléctricas e magnéticas (campos eléctricos e magnéticos) que oscilan perpendicularmente entre si e perpendicularmente á dirección de propagación. Propagaríanse á velocidade da luz e para iso non necesitarían medio material algún, é dicir o “éter” non sería necesario.

Finalmente, Henrich Herzt confirmou estas apreciacións, cando en 1887 foi quen de producir e detectar as ondas electromagnéticas.
Así pois, a teoría ondulatoria, unha vez perfeccionada con estas novas achegas, imponse, xa que é a única capaz de explicar todos os comportamentos da luz observados ata o momento.
Podemos dicir que todo ocorre coma se a luz estivese constituída por ondas electromagnéticas perpendiculares entre si (E, B), que se propagan no baleiro e que oscilan perpendicularmente á dirección de propagación (v).
Un movemento ondulatorio caracterízase pola súa lonxitude de onda, λ (lambda), que é o espazo entre dous puntos equivalentes de dúas oscilacións consecutivas, é dicir dunha oscilación completa, como se ve na figura. Tamén se caracteriza pola súa frecuencia, ν (ni), que é o número de oscilacións que teñen lugar nun segundo e que está directamente relacionada coa lonxitude de onda: λ = c/ν, onde c é a velocidade da luz no baleiro.

As presuntas ondas luminosas son do mesmo tipo de ondas -ondas electromagnéticas- que as que hoxe se producen nun forno de microondas, que as que emiten as emisoras de radio e de televisión, que as que emite unha lámpada de infravermellos, que as que coñecemos como raios UVA ou os raios X. Diferéncianse unhas doutras na súa lonxitude de onda (ou a súa frecuencia). No caso das ondas luminosas, a lonxitude de onda ha de estar comprendida entre 700nm e 400nm (1 nm é igual a unha mil millonésima parte dun metro), para que poidan impresionar a retina e producir a visión.
Pero chega o chamado Efecto fotoeléctrico.
Estando así as cousas, Henrich Hertz descubriu (en 1887) o efecto fotoeléctrico, base, entre outras cousas, das células fotoeléctricas, que tantas aplicacións teñen actualmente.
En que consiste o efecto fotoeléctrico?
O observado consiste en que a luz, cando incide sobre unha superficie metálica pode arrincar electróns do metal. Para que isto ocorra, a luz ten que ter unha frecuencia mínima, ν₀. A partir de aí, na medida en que a luz supera este limiar ν₀, os electróns saen cunha enerxía cinética tanto maior canto maior a frecuencia da luz. O número de electróns arrincados é directamente proporcional á intensidade da luz.
A teoría corpuscular golpea de novo
Como se explica este comportamento? A teoría ondulatoria da luz, tal como coñecíase entón, non era capaz de explicalo. A teoría corpuscular si. Segundo ela, todo ocorrería coma se cada partícula, ao chocar coa superficie, arrincase un electrón, se tiña unha enerxía igual polo menos a aquela con que os electróns están retidos no metal (enerxía limiar); se as partículas levasen unha enerxía superior á limiar, o exceso comunicaríanllo aos electróns en forma de enerxía cinética; se cada partícula arrinca un electrón, o número de electróns arrincados dependerá do número de partículas que leva o raio de luz por unidade de superficie, é dicir, da súa intensidade.
Un aparente novo conflito
Do visto ata aquí conclúese que, nalgúns aspectos a luz compórtase coma se fose de natureza ondulatoria e noutros o fai coma se fose de natureza corpuscular. É que pode ser as dúas cousas á vez?

A solución: Cuantización da enerxía. Dualidade onda – partícula

En 1900, Max Planck postulou a cuantización da enerxía. Os focos luminosos, cando emiten luz, é dicir, enerxía luminosa, fano en unidades, en cantidades, moi pequenas, discretas (non continuas) , ás que se deu o nome de “cuantos” e tamén de “fotóns”. O valor dun cuanto ou fotón é igual a hν, onde h é unha constante universal, coñecida como constante de Planck e ν a frecuencia da luz.
Facendo uso desta hipótese, Albert Einstein explicou, en 1905, o efecto fotoeléctrico, considerando que, neste caso, cada cuanto de enerxía, cada fotón, actuaría como unha partícula.
Así pois, a luz tería natureza ondulatoria e sen perdela podería actuar coma se fose corpuscular. Teriamos a dualidade onda – part ícula.

Difracción de electróns. Dualidade partícula – onda
En 1924, Louis de Broglie, postulou que toda partícula pequena en movemento leva asociada unha onda de lonxitude λ = h/mv, onde h é a constante de Planck, m a masa e v a velocidade da partícula. Confirmaríase así a dualidade onda – partícula, agora vista desde a perspectiva da partícula.
Se as cousas fosen así, as partículas tamén poderían comportarse como ondas. Dado que a difracción é un comportamento tipicamente ondulatorio, como vimos, preguntámonos, poderanse difractar as partículas moi pequenas?
A resposta dana G.P. Thomson, Cl. J. Davison e L. H. Germer, en 1927. Estes científicos, Premios Nobel en 1937, lograron producir experiencias de difracción con feixes de electróns, confirmando experimentalmente a hipótese de De Broglie. Os electrons, partículas universalmente recoñecidas, comportanse coma se foran ondas, levan asociada unha onda. A difracción de electróns converteuse xa nunha técnica moi importante para estudar certos aspectos da estrutura da materia. Así se pecha o ciclo e podemos concluír que, ao día de hoxe, está confirmada a dualidade onda – partícula.
Máis alá da natureza da luz
O método científico, baseado en obsevar, supoñer e comprobar, aplicado ao estudo da natureza da luz, levounos a establecer a dualidade onda – partícula. Esta dualidade constitúe hoxe unha das bases da Mecánica Cuántica, pola que se rexen os sistemas materiais de dimensións non superiores a uns centos de nanómetros. Un resultado sorprendente. Hai que ver onde nos levou o estudo da luz! Que cousas ten a ciencia! O ano 2015 pasa, pero a luz sigue a xogar un papel fundamental nas nosas vidas e na actividade científica.

Podes ler os artigos de Miguel Ángel Ríos sobre o Ano Internacional da Luz
na súa bitácora en GCiencia O Raio Transparente