El Tamiz

Si no eres parte de la solución eres parte del precipitado

La naturaleza de la luz (II)

En la primera parte del artículo sobre la naturaleza de la luz hablamos sobre nuestras concepciones primitivas sobre este fenómeno tan cotidiano y, a la vez, tan misterioso. Viajamos desde la Sicilia de Empédocles hasta la Florencia de Galileo pasando por Atenas, Alejandría y Bagdad. Hoy, sin embargo, en gran parte gracias a la herencia del pisano, entramos de lleno en la ciencia moderna. Ya no se trata de filosofía natural sin matemáticas ni repetición de experimentos, ya no hablaremos de hipótesis más o menos imaginativas sin base empírica sólida.

No, cada duelo sobre la concepción de la naturaleza de la luz a partir del XVII sería más sofisticado que el anterior, basado en un mayor número de experimentos y predicciones y, sobre todo, centrado en encontrar aspectos que invalidasen una u otra concepción, aspectos cada vez más sutiles. El primero de esos duelos fue por lo tanto el más ingenuo que veremos a partir de ahora. Sin embargo, fue también fundamental porque definiría la división entre concepciones durante casi tres siglos: ¿ondas o partículas?

Este primer duelo fue completamente francés. En una esquina del cuadrilátero, René Descartes; en la otra, Pierre Gassendi. Los escritos de ambos en el primer tercio del XVII –aunque uno de ellos, Gassendi, no publicaría en vida– serían la chispa que despertaría el interés de toda Europa por el asunto. De hecho, como veremos luego, en la segunda mitad del XVII y sobre todo en el XVIII la discusión iría subiendo de categoría y tomaría una forma moderna y sofisticada gracias precisamente al cambio de la ciencia en esa época: la constante discusión por parte de mucha gente sobre el mismo problema.

El más grande de los dos duelistas, en mi opinión, fue Descartes. Basándose en las similitudes entre luz y sonido, y dado que por entonces se conocía bien el hecho de que el sonido es una onda, Descartes llegó a la conclusión de que la luz también lo era. Es lo que conocemos como hipótesis ondulatoria de la luz. Descartes explicaba así la refracción de manera razonada: cuando una onda luminosa cambia de medio también lo hace de velocidad, y eso lleva consigo un cambio de dirección. Al fin y al cabo, el sonido hace exactamente lo mismo.

En unos párrafos veremos cómo otros científicos desarrollarían la hipótesis ondulatoria de Descartes poco a poco hasta convertirla en una auténtica teoría con un aparato matemático tremendo, y tendemos a olvidar al francés por lo primitivo de su descripción. No lo merece: concebir la luz como una onda tiene un mérito extraordinario. Sin Descartes –u otro como él, por supuesto– no hubieran existido en este asunto Huygens, Fresnel o Young.

El campo contrario a Descartes era el de Pierre Gassendi, que era, como Lucrecio –el romano del siglo I a.C.–, un atomista en general y también sobre la luz en particular. Gassendi pensaba, como el romano, que la luz estaba formada por pequeñas partículas, y fue el primero de los científicos modernos en postular una hipótesis corpuscular sobre la naturaleza de la luz. El argumento a favor de la naturaleza corpuscular de la luz de Gassendi era más bien pobre comparado con el de Descartes: todo estaba formado por pequeños corpúsculos de acuerdo con el francés, de modo que ¿por qué razón la luz no iba a tener la misma naturaleza?

Sin embargo, aunque los argumentos de Gassendi no fueran demasiado sólidos, y sus ideas sólo se publicaron tras su muerte, convencieron a un científico de la siguiente generación que sí era capaz de utilizar argumentos de una firmeza tremenda: Sir Isaac Newton. No creo que Gassendi hubiera podido pedir un paladín mejor para su hipótesis corpuscular, pero una vez más, sin la inspiración de Gassendi tal vez Sir Isaac nunca hubiera prestado atención a esto, o no hubiera sentido la chispa de la “corpusculareidad”.

René Descartes y Pierre Gassendi

Round 1. Fight! René Descartes (1596-1650) vs. Pierre Gassendi (1592-1655).

A lo largo del siglo XVII habría discusiones recurrentes entre los partidarios de ambas hipótesis, libros, cartas y debates con argumentos encontrados. El desacuerdo sobre esto sería muy grande, pero aunque los científicos involucrados tal vez no fueran conscientes, existía un acuerdo muy firme sobre algo fundamental: la luz era un fenómeno físico, probablemente mecánico, emitido por algunos cuerpos (como veremos, posteriormente nos dimos cuenta de que no era algo mecánico, pero era difícil darse cuenta). Los argumentos trataban, por tanto, de identificar qué era ese fenómeno a partir de sus propiedades en experimentos concretos.

El problema con ambas hipótesis es que las dos tenían algo en lo que fallaban, de acuerdo con el conocimiento de la época, de manera estrepitosa, y los partidarios del otro bando utilizaban estos fallos para descartar la hipótesis opuesta, ¡mientras que a ellos les hacían exactamente lo mismo los defensores de la otra opción!

En el primer asalto no me cabe duda de que las ideas de Descartes tuvieron más éxito que las de Gassendi. La mayor parte de los científicos de la segunda mitad del XVII, influenciados por el primero, consideraron que la luz era una onda. Uno de ellos fue Robert Boyle, pero ya dijimos al hablar de él que sus ideas sobre la luz eran ingenuas y no demasiado profundas. Otro, mucho más detallado y preciso en su descripción, fue Robert Hooke –miembro, como Boyle, de la Royal Society, que con la Académie de París era, por entonces, el nuevo centro de la ciencia mundial–.

Hooke era partidario, como casi todo el mundo, de la hipótesis ondulatoria. En 1665 –el mismo año en el que se publicaba, por fin, la hipótesis corpuscular de Gassendi–, en su Micrographia, la obra maravillosa con la que nos deleitó con dibujos de lo que veía a través de su microscopio, describe la luz como una onda y habla de pulsos que se propagan por el espacio de un modo similar a las ondas creadas por una piedra sobre la superficie de un estanque.

La descripción de Hooke era bastante buena. Sin embargo, como en casi todo lo demás que hizo, fue eclipsado por un genio como no ha visto la Física antes ni después: Isaac Newton. Cuando la mente de Newton dirigió su atención al problema, cinco años después de la publicación de Micrographia, el resultado fue de una agudeza, meticulosidad y rigor en el razonamiento que barrió en toda Europa.

Newton pensaba que quien tenía razón era Gassendi, no Descartes, y así argumentó en la primera obra cuyo propósito único era precisamente discutir la verdadera naturaleza de la luz: Hypothesis of Light (Hipótesis sobre la luz), publicada en 1675, aunque Newton publicaría una segunda obra tres décadas más tarde en la que refinaría y ampliaría las ideas expresadas en esta primera. La segunda se tituló Opticks (Óptica) y fue publicada en 1704.

El argumento principal de Newton para preferir la hipótesis de Gassendi a la de Descartes era bien simple: la luz producía sombras bien definidas. Esto puede parecer una tontería, pero no lo es tanto. Si te fijas en lo que sucede cuando una onda se encuentra con un obstáculo, por ejemplo las olas del mar al llegar a una roca, pasa algo así:

Difracción del agua

Dicho mal y pronto, la onda de agua alcanza de un modo u otro todos los puntos detrás de los obstáculos: no hay “sombras” detrás de las islas. Lo mismo pasa con el sonido: si alguien da un grito y tú estás detrás de un árbol que te oculta completamente de quien grita, sigues oyendo el grito. Las ondas tienen está peculiaridad, y este alcanzar lugares detrás de los obstáculos es una expresión del fenómeno denominado difracción.

Debido a que el sonido es una onda, se difracta; y debido a la difracción, el sonido “no deja sombras” detrás de los obstáculos, sino que puede ser oído tras ellos, pero la luz no. Newton realizó multitud de experimentos con luz –en un momento hablamos de los esenciales–, pero nunca observó la difracción. Por lo tanto, de acuerdo con el inglés, la luz no podía ser una onda, y la hipótesis correcta era la corpuscular de Gassendi.

Sin embargo, a pesar de que Newton no observó la difracción de la luz en esta época, ¡otros sí lo hicieron! En la década de 1660 El escocés James Gregory realizó un experimento francamente demoledor, en el que no sólo dispersó la luz blanca en sus colores individuales –algo que, como veremos, hizo el propio Newton muchas veces– sino que consiguió difractar la luz utilizando una pluma:

Háganse pasar los rayos del Sol a través de un pequeño agujero al interior de una habitación oscura, y colóquese sobre el agujero una pluma (cuanto más delicada y blanca mejor para este propósito), y se verán sobre la pared blanca o papel opuestos un número de círculos y óvalos pequeños (si es que no estoy confundido sobre ellos), de los que uno es blanco (a saber, el del medio que está opuesto al Sol) y todos los otros de colores diversos. Me gustaría escuchar lo que piensa el señor Newton sobre esto.

James Gregory

El difractor: James Gregory (1638-1675).

Sé que la frase final puede sonar sarcástica, pero pienso que no lo era. Gregory no sólo era amigo epistolar de Newton sino un admirador ferviente del inglés, y me extrañaría que le soltara puyas de este tipo. No, creo que se trata de una petición sincera: Gregory no sabía cómo explicar lo que sucedía, y dado que Newton era uno de los expertos mundiales en óptica –era, seamos sinceros, uno de los expertos mundiales en casi todo lo que tiene que ver con la física–, Gregory le estaba pidiendo su opinión sobre un experimento tan interesante.

Sin embargo, a pesar de lo extraño de los anillos y la pluma, Newton no abandonó su apoyo a la hipótesis corpuscular de Gassendi a causa del experimento de Gregory. Curiosamente, lo que hizo fue modificar sus ideas para explicar fenómenos de difracción como el del escocés, pero de esa modificación hablaré en un momento, porque requiere de un concepto que no introdujo el inglés: el éter.

Ese concepto fue propuesto por el tercer paladín de Descartes además de Hooke y Gregory: el holandés Christiaan Huygens, que ya ha aparecido repetidas veces en El Tamiz por su trabajo en astronomía y su magnífico reloj. Huygens dio una conferencia ante la Académie des sciences francesa en 1678 –tres años después de la Hypothesis newtoniana– en la que defendía precisamente la idea de Descartes y Hooke: la luz era una onda.

Huygens fue más allá que ambos: utilizó el mismo tratamiento matemático que se daba a otras ondas para predecir el comportamiento de la luz, y en general obtuvo muy buenos resultados. El interés de Huygens en la luz era en parte puramente teórico, pero también había una parte bien práctica por su trabajo con telescopios –y, por ellos, lentes y espejos–, lo mismo que le sucedía a Newton.

A diferencia de sus predecesores “ondulatorios”, Huygens no hizo alguna afirmación suelta sobre la luz en obras dedicadas a otros asuntos, sino que desarrolló una hipótesis extensa y coherente, la equivalente a la Hypothesis newtoniana. Sus ideas sobre la luz se publicaron en 1690 bajo el título Traité de la lumière (Tratado sobre la luz). Catorce años después Newton perfeccionó sus propias ideas, como dijimos antes, y publicó su Opticks en 1704, desgraciadamente después de la muerte del holandés. Nos hallamos por lo tanto, a finales del siglo XVII, ante el “segundo asalto” entre ambas hipótesis: un segundo asalto mucho más completo y sofisticado que el primero.

Huygens y Newton

Round 2. Fight! Christiaan Huygens (1629-1695) vs. Isaac Newton (1642-1727).

Lo mismo que el centro del estudio sobre la luz había sido Alejandría en el siglo I d.C. y posteriormente Bagdad en el X, los siglos XVII-XVIII fueron dominados casi completamente por las dos Casas de Salomón, en términos de Francis Bacon, de la Europa occidental: la Royal Society inglesa y la Académie des Sciences francesa. Esto resulta claro, por ejemplo, por el hecho de que Christiaan Huygens, aunque holandés, terminó mudándose a París invitado por Luis XIV a la Académie. En cierto sentido este segundo asalto lo era entre las dos Academias.

Tanto Huygens como Newton tenían problemas que eran incapaces de resolver con sus hipótesis, a pesar del genio de ambos. El problema de Huygens era el siguiente: si la luz era una onda, ¿por dónde y cómo se propagaba? No podía ser exactamente igual que el sonido, porque éste no viajaba por el vacío, y la luz sí. ¿Cómo era esto posible?

De acuerdo con el holandés, la respuesta era que el vacío no estaba realmente vacío. Esta idea no era nueva, ya que el propio Aristóteles consideraba que el espacio interplanetario estaba compuesto por un elemento llamado éter, y Huygens utilizó el mismo nombre, y afirmó que la luz no es una vibración de la materia normal como el sonido, sino una vibración del éter, que se llamó a partir de entonces éter luminífero precisamente por esa razón. Lo mismo que el sonido es una onda longitudinal de otros medios materiales, la luz es una onda longitudinal del éter –luego hablaremos sobre esta sutileza de “longitudinal”, porque durante más de cien años sería irrelevante–.

Esta explicación daba cuenta, además, de un problema que ni Descartes ni Hooke habían podido resolver: el sonido viaja tanto más deprisa cuanto más denso es el medio. Por ejemplo, viaja más rápido en el agua que en el aire, y por eso cambia de dirección al pasar del aire al agua o viceversa. Pero la luz cambia de dirección al revés que el sonido. Esto hacía sospechar que su velocidad cambiaba también al revés que la del sonido – más veloz en el aire que en el agua. ¿Cuál era la explicación? En términos de vibración de las sustancias normales, no la había.

Pero, según Huygens, la razón era que la luz no es una vibración del agua ni del aire, sino del éter que lo inunda todo. Una sustancia poco densa deja mucho espacio al éter, luego la luz viaja muy rápido por ella; una sustancia muy densa apenas deja espacio al éter y, por ello, la luz se desplaza menos eficazmente por ella. De ahí que la luz viaje más lenta en el agua que en al aire. Naturalmente no podíamos aún saber cuál era la diferencia de velocidad, pero la explicación de Huygens parecía muy lógica.

Hablando de la velocidad, fue por esta época por fin cuando se demostró ¡por fin! que Aristóteles no tenía razón y la luz no era un fenómeno instantáneo, sino que viajaba a una velocidad finita. No voy a repetir aquí la explicación completa (puedes leerla en el artículo sobre Júpiter), pero sí daré una breve descripción de lo que ocurrió, porque es relevante a lo que estamos discutiendo aquí.

A mediados del siglo XVII los astrónomos que observaban los satélites de Júpiter se dieron cuenta de que no parecían tener un período fijo: a veces tardaban más de la cuenta y a veces menos en dar una vuelta al planeta. Esto es algo que no tiene mucho sentido en astronomía –salvo que hubiese alguna influencia extraña sobre ellos, y no se conocía ninguna–, de modo que el misterio obsesionaba a los astrónomos de la época.

El danés Ole Christensen Rømer dio con la solución: las lunas parecían tardar menos en dar una vuelta cuando Júpiter estaba más cerca de la Tierra, y más tiempo cuando los planetas estaban más lejos. Esto significaba, según el danés, que la aparente diferencia no era real, sino una consecuencia del hecho de que tardábamos cierto tiempo en ver la luz de las lunas, el tiempo que pasaba desde que la luz partía de la luna hasta llegar a la Tierra. Ese tiempo era diferente dependiendo de la distancia Tierra-Júpiter, y en consecuencia percibíamos un período variable.

Diagrama de Romer

Método de Rømer para medir la velocidad de la luz (dominio público).

Aunque Rømer había dejado bastante claro que la luz se movía a velocidad finita, no fue capaz de medir esa velocidad. Sin embargo Huygens, que también era astrónomo, partió de la idea del danés para estimarla, y obtuvo un valor de 220 000 km/s. Este valor es menor que el real, pero el orden de magnitud es el mismo y confirmó lo que todo el mundo sospechaba: la luz viajaba a una velocidad monstruosa. Con ese dato era posible estimar el tiempo que debería haber medido Galileo en su experimento de las dos linternas: unos diez microsegundos.

Cuando Newton fue informado de las observaciones de Rømer y Huygens preguntó algo que le preocupaba mucho: ¿se observaba una diferencia en el color de las lunas con el paso del tiempo? Puede parecer una pregunta extraña, pero es que el inglés, además de postular la naturaleza corpuscular de la luz, había realizado otro descubrimiento fundamental: que la luz blanca está realmente compuesta de luz de colores individuales.

Opticks

Opticks, o un tratado sobre las reflexiones, refracciones, inflexiones y colores de la luz (1704).

Newton realizó tres experimentos demoledores a este respecto. En el primero, tomó un prisma y lo expuso a la luz solar: la luz blanca se dividió en los colores del arco iris. Esto no es sorprendente en absoluto, y no es la clave del experimento. Muchos pensaban que la luz, al pasar por el agua –en el caso del arco iris– o el vidrio –en el caso del prisma de Newton– simplemente se transformaba, se “rompía” en colores.

Pero Newton hizo luego lo que destruyó esa concepción: hizo pasar la luz arcoirisada por un segundo prisma, y la luz volvió a recomponer un haz único de luz blanca. No era posible justificar esto diciendo que el prisma a veces rompía la luz y a veces volvía a construirla. Sí era explicable fácilmente en términos de refracción: cada color viajaba a una velocidad diferente por el vidrio, de modo que cambiaba de dirección más o menos según su color. Como resultado, cada componente individual de la luz podía separarse en abanico o juntarse de nuevo.

En un segundo experimento de 1666, el inglés hizo algo parecido: dispersó la luz blanca en un arco iris a través de un prisma, y luego interpuso una lámina opaca en el camino de la luz con una pequeña rendija justo por donde pasaba la luz roja. Por lo tanto, al otro lado de la lámina la única parte de la luz que llegaba era la roja. Después dispuso un segundo prisma colocado del mismo modo que el primero al otro lado de la lámina: la luz roja llegó a él, cambió de dirección y salió por el otro lado, pero no volvió a dispersarse en un arco iris, sino que salió igual que había entrado, como un haz estrecho de luz roja.

Diagrama del experimento de Newton

Diagrama de Newton sobre su experimento con luz blanca y rendija (1666).

Dicho de otra manera, cada color que componía la luz blanca era realmente un componente elemental de esa luz, no era de nuevo divisible ni lo especial estaba en el prisma que fuese capaz de dividir la luz: la luz monocromática era indivisible. No era posible luego volver a obtener luz blanca con esa luz roja, como había sucedido antes con el arco iris completo.

El tercer experimento, tal vez incluso más demoledor, aún se hace en los colegios para delicia de los niños: pintar colores en una rueda que luego se hace girar velozmente. Al observarla, si la rueda gira con suficiente velocidad, desaparecen los colores individuales y la rueda se ve blanca. Dicho en términos más modernos que los que empleó Newton, el color blanco es la traducción que hace el cerebro del hecho que desde un punto alcancen el ojo rayos luminosos de todos los colores.

Por eso tenía el inglés tanto interés en lo que había visto Rømer: sabía que, en el vidrio, no todos los colores viajan a la misma velocidad, pero ¿qué pasaba en el espacio interplanetario? La respuesta fue que las lunas siempre aparecían blancas, lo cual significaba que todos los colores viajaban por el espacio a la misma velocidad, o notaríamos diferencia según las lunas estaban más cerca o más lejos de nosotros. El interés de Newton se debía a que, al propagarse todos los colores a la misma velocidad, eso significaba que la luz, aunque tuviera características diferentes dependiendo el color –o no notaríamos diferencia entre ellos– era probablemente un único fenómeno.

¿Quién ganó entonces este segundo asalto, tras del de Gassendi y Descartes? Podrías pensar que fue un empate, ya que tanto una hipótesis como la otra estaban muy bien descritas –como recordarás, en el caso anterior Descartes había sido más concienzudo que Gassendi–. Sin embargo, había un factor absolutamente demoledor en la hipótesis de Newton: Newton. Es injusto, pero así fueron las cosas.

Fue doblemente injusto, además, porque si hubiera que elegir la más sólida de las dos hipótesis creo que deberíamos elegir la de Huygens. Uno de los argumentos iniciales fundamentales de Newton, la presencia de sombras nítidas tras los objetos y la ausencia de difracción, había sido destruido por James Gregory y su experimento de la pluma. Como dijimos antes, el inglés no renunció a la hipótesis corpuscular, sino que la modificó para explicar la difracción de la pluma. Y en ello, al mismo tiempo, desdibujó su propia hipótesis y tal vez profetizó inconscientemente lo que estaba por venir dos siglos después.

Según Newton la luz, desde luego, estaba formada por minúsculos “átomos luminosos” de diversos colores. Sin embargo, estos átomos se mueven a través del éter. Al hacerlo sucede lo mismo que cuando una flecha atraviesa el agua: produce ondulaciones a su alrededor. Por lo tanto, según el inglés no era sorprendente que se observaran fenómenos ondulatorios como el que había visto Gregory con la pluma al hacer pasar luz por ella, ya que esos fenómenos no los estaban produciendo las partículas de la propia luz, sino las vibraciones del éter estimuladas por el paso de esas partículas.

Dicho con otras palabras: la luz está formada por átomos luminosos, es decir, corpúsculos. Sin embargo, a veces notamos fenómenos ondulatorios asociados a ellos, lo mismo que si pasa junto a ti una barca –un corpúsculo– puedes notar olas –ondas– que te golpean. Según el inglés la luz no es una onda, pero sí produce ondas.

Sé que esto suena como una trampa, y tal vez Newton debería haberse dado cuenta de que estaba rizando el rizo y que tanta complicación añadida a su hipótesis significaba que se le estaba escapando algo. De hecho, como veremos en un momento, en cierto sentido el inglés se equivocaba. Sin embargo te pido que recuerdes esta frase para cuando terminemos nuestro largo camino y lleguemos al siglo XX: la hipótesis de Newton sobre la luz no era puramente corpuscular, sino que combinaba aspectos corpusculares con otros ondulatorios. Volveremos a esto y a mi profunda admiración por el inglés más adelante.

Sea como fuere, el consenso a lo largo del siglo XVIII fue que Huygens estaba equivocado y Newton tenía razón. De hecho, con el tiempo esto pareció más y más claro, no porque se realizaran nuevos experimentos que descartasen la hipótesis ondulatoria –no hubo ninguno relevante– sino porque Newton se fue haciendo en nuestras cabezas más y más imponente y legendario tras su muerte. Pasaba algo parecido a lo que había sucedido siglos antes con Aristóteles: estar en desacuerdo con Newton requería de pruebas muy sólidas para ser tomado en serio.

Hubo que esperar un siglo entero. Fue entonces cuando otro inglés, Thomas Young, realizó una serie de experimentos geniales en Cambridge, entre 1797 y 1799. Entre otras cosas, en esos experimentos Young trató de conseguir que un haz luminoso interfiriese consigo mismo: la interferencia era algo inherentemente ondulatorio.

En primer lugar Young estudió el fenómeno de las interferencias con sumo cuidado en el caso de algo que, nadie lo dudaba, eran ondas: las olas en el agua. El inglés hizo multitud de experimentos con un tanque lleno de agua, generando olas en él e interponiendo una barrera con dos agujeros pequeños. Así podía determinar con gran exactitud qué le sucedía a las ondas en el agua al atravesar esa doble rendija: dónde formaban grandes crestas y valles al otro lado, dónde las olas procedentes de ambos agujeros se cancelaban y no había ondas, etc.

¿Para qué hacer todo eso? ¡Para repetir algo lo más parecido posible con la luz! Si la hipótesis ondulatoria era cierta, al hacer a un haz de luz atravesar una lámina con dos rendijas le pasaría algo similar a las olas de agua – aparecerían zonas brillantes (crestas y valles grandes) y otras oscuras (zonas de cancelación de ondas) alternadas, en los mismos lugares en los que había sucedido en el caso del agua.

Cuando el inglés logró rendijas lo suficientemente finas y realizó el experimento, el aparente milagro se produjo: al otro lado surgieron bandas de luz y sombra que eran un claro patrón de interferencia. Es más, había luz en lugares en los que debería haber habido una sombra clara. Sucedía exactamente lo que el gran Newton había dicho que no debía suceder.

Experimento de la doble rendija de Young

Diagrama de Young sobre su experimento de la doble rendija.

Young presentó ante la Royal Society de Londres los resultados de sus experimentos en 1803, y además publicó varios artículos sobre el asunto empezando en 1801. El inglés describió lo que había hecho con gran detalle, para que cualquier otro pudiera repetir los experimentos. Además no se limitó a hacer el de la doble rendija, sino que hizo muchos otros en los que detectó sin el menor género de dudas interferencia y difracción.

Además, Young llevó las ideas de Huygens a un mayor nivel de sofisticación –lo mismo que el holandés había hecho con las de Descartes–. Identificó los colores individuales como distintas longitudes de onda de la luz: el rojo tenía mayor longitud de onda que el violeta, por ejemplo. El genio del inglés, además, lo llevó a utilizar sus experimentos de interferencia para estimar las longitudes de onda luminosas, que resultaron ser, como habíamos sospechado, minúsculas.

Incluso así hubo quien siguió negándose a admitir la naturaleza ondulatoria de la luz: el fantasma de Newton seguía presente. Sin embargo, las descripciones de Young eran tan detalladas que en pocos años muchos otros científicos vieron con sus propios ojos lo que había visto él. Entre ellos estaba otro genio, el francés Augustin-Jean Fresnel, que además hizo otros experimentos nuevos y, más importante aún, desarrolló una teoría matemática sobre las ondas luminosas que predecía estupendamente bien los resultados.

En 1817 Fresnel presentó sus conclusiones ante la Académie des Sciences de París, y en 1821 hizo lo mismo pero con una modificación fundamental respecto a la hipótesis ondulatoria de Huygens: el abandono de la concepción de la luz como onda longitudinal. Recordarás que el holandés, al concebir la luz como un análogo del sonido para el éter, había pensado que se trataba de una onda longitudinal. Sin embargo, había un problema con esto.

Newton, Young y compañía

Round 3. Fight! Newton (izquierda) vs. Young (arr. izq.), Fresnel (arr. dcha.), Malus (abj. izq.) y Brewster (abj. der.).

Una onda longitudinal, como el sonido que viaja por el aire, es un conjunto de vibraciones en la misma dirección en que se propaga la onda. Si imaginas un montón de canicas tocándose en una fila muy larga y das un golpe a la primera, ésta golpea a la segunda, aquélla a la tercera, y así sucesivamente. Los golpes se producen en la misma dirección en la que se propaga la energía, es decir, longitudinalmente a ella.

Por el contrario, una onda transversal, como las crestas y valles que recorren una cuerda, consta de oscilaciones perpendiculares a la dirección de movimiento de la onda. La onda recorre la cuerda a lo largo de su longitud, pero cada punto de la cuerda sube y baja según la onda pasa por allí. Se trata de vibraciones perpendiculares, es decir, transversales.

Una de las diferencias fundamentales entre ambos tipos de ondas es que una onda longitudinal sólo puede vibrar en una dirección única: la de movimiento de la onda. Dicho en términos de perogrullo, ¿cuántas direcciones posibles coinciden con la dirección de propagación? ¡Una sola, ella misma! Sin embargo, en el caso de una onda transversal, ¿cuántas direcciones posibles son perpendiculares a la de propagación? ¡Infinitas!

Así, una onda transversal puede oscilar en muchas direcciones posibles, y un conjunto de ellas puede tener muchas direcciones de oscilación mezcladas. Ahora bien, es posible eliminar todas las direcciones de oscilación excepto una, forzando a todas las vibraciones a producirse en una sola de las posibles perpendiculares a la propagación de la onda. Si se constriñe de algún modo la dirección de oscilación de la onda se dice que está polarizada.

No tiene sentido hablar de polarización de ondas longitudinales; en cierto sentido ya están polarizadas, ¡no tienen ninguna otra opción! Pero sí es posible polarizar las ondas en una cuerda, porque son transversales, o cambiar su polarización, o distinguir direcciones de polarización diferentes. De modo que la pregunta del millón en el cambio de siglo XVIII-XIX era, ¿es posible polarizar la luz?

En 1809 un francés, Étienne-Louis Malus, descubrió accidentalmente –mientras jugaba con un trozo de cristal de roca– que era posible polarizar la luz y filtrar la luz polarizada. Poco después, en 1815, un escocés, David Brewster, inspirado en parte por el trabajo de Young, publicó en la Philosophical Transactions de la Royal Society un artículo en el que describía experimentos en los que lograba polarizar luz al reflejarla en determinados materiales y con ángulos superiores a cierto límite –que hoy seguimos llamando ángulo de Brewster–. La luz podía ser polarizada (hoy, de hecho, utilizamos esa propiedad y los filtros de polarización muy a menudo).

Luz polarizada

Luz reflejada sobre el agua (izquierda) y la misma imagen con un filtro de polarización (derecha) (dominio público).

Por tanto la concepción de la luz de Fresnel en 1821 era la de una onda, como había dicho Huygens, pero una onda transversal que viajaba a través del éter. La multitud de experimentos entre 1800 y 1820 que eran absolutamente inexplicables sin considerar propiedades ondulatorias había, por fin, derrotado a Newton, y el tercer asalto en la lucha corpuscular-ondulatoria ni siquiera fue tal: se trató realmente de la victoria por parte de un puñado de científicos vivos frente al fantasma de Newton. En este caso no fue una lucha entre la Society y la Académie, ya que ambas favorecían –a través de Young, Fresnel y compañía– la hipótesis ondulatoria. Fue realmente un duelo entre el presente y el pasado.

Y fue una victoria casi total para la hipótesis ondulatoria. Era tal el número de experimentos, tal el nivel de precisión en las predicciones matemáticas y lo contundente de las conclusiones que no quedó lugar a dudas: la luz era una onda. Pero, por si crees que aquí llegamos al final del camino, aún quedaban problemas muy importantes por resolver. Imagino que cualquier físico de 1830 pensaría que se trataba de detalles que haría falta pulir, y que los cimientos de nuestra comprensión sobre la luz estaban muy bien asentados. Newton, mientras tanto, sonreiría desde su tumba.

Existían dos problemas teóricos con la concepción de la luz como onda transversal, y ambos estaban relacionados con el éter. El primero de ellos tenía que ver con el hecho de que fuera transversal: las ondas transversales no se producen en el interior de líquidos ni gases, sólo de sólidos. En una cuerda, por ejemplo, cuando un trozo de cuerda sube tira del siguiente trozo de cuerda y así sucesivamente. Pero en los fluidos no hay tensiones, sólo compresiones, y no existen en su interior ondas transversales (como bien saben los geofísicos por las ondas S y P de los terremotos).

Pero, dado que la luz era necesariamente una onda transversal –pues podía polarizarse–, y que se propagaba por el éter, esto significaba que el éter era un sólido. Esa sustancia ubicua que transportaba las ondas luminosas y que llenaba el aire, el agua, el espacio interplanetario entre Tierra y Sol y en el que todos estamos sumergidos, ¡era un sólido! Pero, si así era, ¿cómo diablos podíamos movernos por él? ¡La Tierra debería darse un mamporrazo al moverse a través del éter, lo mismo que intentase viajar por el interior de un trozo de madera!

El segundo problema tenía que ver con la velocidad de la luz. Vimos que las primeras estimaciones realistas que habíamos realizado en el XVII eran de unos 225 000 km/s. Otros científicos después de Rømer y Huygens utilizaron métodos astronómicos similares para mejorar ese valor, pero el experimento definitivo no fue astronómico y lo realizó un francés, Hippolyte Fizeau, en 1849.

Hippolyte Fizeau

Hippolyte Fizeau (1819-1896).

Fizeau realizó un experimento que tiene alguna similitud –salvando las distancias– con el de Galileo doscientos años antes: lanzar luz, que viaje en un sentido y luego vuelva en el contrario hasta ser recibida de nuevo por el emisor. El problema de Galileo seguía existiendo en la época de Fizeau – no existía un reloj suficientemente preciso para medir un tiempo tan corto. Pero el francés lo resolvió de una manera ingeniosísima.

El aparato de Fizeau consistía básicamente en lo siguiente: una bombilla emitía luz, que se reflejaba en un espejo situado a varios kilómetros de distancia. Tras reflejarse, la luz volvía de nuevo y podía ser observada mirando hacia el espejo por alguien situado junto a la bombilla –para evitar estar exactamente sobre ella el francés utilizó una superficie semiespejada como se muestra en la figura–.

Experimento de Fizeau

Experimento de Fizeau (modificado del original de Theresa Knott, Creative Commons 3.0 Attribution-Sharealike License).

Hasta aquí, salvo que no hay dos linternas, es básicamente el método galileano. La diferencia estribaba en la interposición en el camino de la luz de una rueda dentada. La rueda giraba a una velocidad controlable, y tenía un gran número de dientes y huecos entre ellos. Si la rueda estaba quieta y un diente interpuesto en el camino de la luz, evidentemente no se veía luz en el espejo, porque el haz ni siquiera llegaba a él. Si la rueda se dejaba quieta con un hueco entre dientes frente al haz, también evidentemente se veía la luz en el espejo. Pero ¿y si se hacía girar la rueda?

Si la rueda giraba lentamente, se veía luz y oscuridad alternadas, según había un diente o un hueco frente al haz luminoso. Pero –y aquí está el genio de Fizeau– si la rueda giraba lo suficientemente deprisa era posible lograr una vez más no ver absolutamente nada de luz. Esto sucedía si un haz que pasara por un hueco entre dientes, tras rebotar en el espejo y volver, ¡se encontrase con que el hueco por el que había pasado ya no estaba y había sido reemplazado por el siguiente diente!

¿Cómo era posible esto con lo veloz que era la luz? Porque la luz debía recorrer una gran distancia (rueda-espejo-rueda), pero la distancia entre un hueco y el siguiente diente era muy pequeña. Midiendo la velocidad de giro de la rueda y conocidas las distancias diente-hueco y rueda-espejo era posible estimar con gran precisión la velocidad de la luz. Hippolyte Fizeau midió así un valor aún mayor que el estimado por Huygens más de un siglo antes: unos 310 000 km/s. Nada en la Naturaleza iba tan rápido como la luz, ningún objeto físico ni tampoco ninguna onda.

Pero las ondas que viajan por un medio, como el sonido, lo hacen tanto más deprisa cuanto más denso es y más unidas están sus partículas. Así, el sonido viaja más rápido por el acero que por el aire. Pero la velocidad de la luz era una velocidad absolutamente monstruosa, mayor que cualquier otra medida jamás para cualquier cosa, onda o no. La conclusión lógica era la siguiente: si la luz era la onda más veloz de todas, su medio de propagación seguramente era el más denso de todos.

Evidentemente las cejas de muchos científicos se arquearon. Si el éter era de tal naturaleza, según la Tierra viaja a través de él debe inevitablemente sufrir un efecto de frenado, lo mismo que todos los demás planetas. Al cabo del tiempo debería ir perdiendo velocidad, disminuir su radio orbital y, finalmente, caer hasta el Sol junto con el resto de objetos del Sistema Solar. Esto no pasaba, de acuerdo con las concepciones aristotélicas del éter, porque era una sustancia infinitamente tenue y delicada, suave como la seda.

En resumen, que el éter interplanetario era al mismo tiempo un sólido más denso que el hierro y un velo imperceptible que se apartaba de los planetas sin producir la menor fricción sobre ellos. Vamos, que no teníamos ni la menor idea de lo que era.

Para liar aún más las cosas, casi al mismo tiempo que Fizeau medía la velocidad de la luz con más precisión que nadie, un inglés realizaba un descubrimiento que iba a tirar al traste nuestra concepción de la luz como una onda mecánica. Se trataba de Michael Faraday y con él seguiremos en la tercera entrega de este breve y ligero artículo, donde llegaremos además a la absoluta sofisticación en las hipótesis y experimentos y, en cierto modo, al triunfo del fantasma de Newton. ¡Hasta entonces!

Ciencia, Física, Hablando de...

25 comentarios

De: Suso
2013-06-28 14:29:32

Enhorabuena Pedro, me encantan estas series donde se ve la prespectiva histórica de los descubrimientos, es como una novela de detectives en la que crees saber el final.


De: Brigo
2013-06-28 14:35:56

Mira tu dónde voy a entender qué es una onda longitudinal, transversal y polarizada. :-)


De: Desidiactivo
2013-06-28 18:57:09

"Sin embargo, había un factor absolutamente demoledor en la hipótesis de Newton: Newton" XD


De: Juan Carlos
2013-06-28 21:42:56

Que gran artículo!

Lo de Newton me recuerda a Lord Kelvin estimando (erróneamente) la edad de la Tierra (100 millones de años cuando mucho).... ¡Pero lo dijo Lord Kelvin!

Saludos


De: ConanChé
2013-06-30 13:36:21

No soy físico, ni tengo ganas de desarrollar matemáticamente mi teoría.

Pero se me acaba de ocurrir que el éter pueden ser infinitos fotones pegados unos contra otros (sería un sólido, pero absolutamente franqueable por no tener masa el fotón).

Además, las dimensiones del fotón serían la de una esfera de radio la longitud de Planck.


De: Pepe
2013-06-30 20:08:36

ConanChé: tienes razón, no eres físico :)


De: Francisco H M
2013-07-01 00:03:09

Estupendo artículo.

Por favor, no tardes en publicar el tercero.

Enhorabuena por la web y gracias por una labor tan didáctica.


De: Matt
2013-07-01 02:56:07

Excelente artículo, realmente me dejó con ganas de seguir leyendo.
Pero me ha quedado una duda... Si se había llegado a la conclusión de que la luz se comportaba "al revés" que el sonido al viajar por algún medio, y que por lo tanto su velocidad sería mayor mientras menos denso sea el medio por el que viaja, por qué luego al medir la increíblemente grande velocidad de la luz se llega a la conclusión de que el éter debería ser el medio más denso de todos, siendo que de acuerdo a lo dicho anteriormente, debería ser el menos denso.


De: J
2013-07-01 14:43:43

El tema de Newton me recuerda a una situación... que puede parecer "argumento de autoridad", pero no lo es. Seguro que os ha ocurrido más de una vez, en el trabajo o donde sea.

Estás discutiendo con alguien sobre lo que sea, y te dice: "me han dicho que es verde".

Tu dices: "qué estupidez, si es obvio que es rosa clarito... verde no, imposible".

Y tu interlocutor te dice "pues es que Fulanito dice que es verde, no sé...".

Y entonces tú haces la siguiente reflexión: a mí me parece obvio que es rosa clarito. Pero Fulanito es un tío inteligente, con el que ya he trabajado antes, lo conozco bien y me fío de su criterio, y lleva semanas trabajando en eso... ¡y dice que es verde! Uhm... ¿no seré yo el que está equivocado? ¿No habrá algo que yo no he visto y él sí?

Supongo que eso es lo que les pasó con Newton.


De: Scarbrow
2013-07-01 16:04:58

@Matt
Has olvidado una "pata" del razonamiento: La densidad del éter debería ser mayor porque estamos hablando de velocidad de propagación de ondas dentro de un sólido, y las ondas en un sólido se propagan más deprisa a mayor densidad. Lo de que se comporte "al revés" que el sonido es una curiosidad que muestra que el marco conceptual de su momento no estaba bien afinado, pero no se puede usar como metáfora para explicar la densidad del éter, son dos cosas separadas.


De: galileo7
2013-07-02 17:47:32

Estimado Pedro:
Con respecto al cálculo de la velocidad de la luz por Roemer, no creo que cuando la Tierra está más lejos de Júpiter "parezca que los satélites tardan más en recorrer su órbita" lo que sucede es que aparecen más tarde del momento previsto en una posición concreta, ya que la luz ha tardado en recorrer esa distancia, supongamos que un burro da vueltas a una noria cada 15 mts. y rebuzna al pasar a mi lado, a las horas en punto, cuarto, media y menos cuarto, si me alejo 3.430 mts. cada rebuzno me llega a las horas en punto... y 10 sgs. con lo que deduzco que la velocidad del sonido (en el aire) es de 343 m/sg. pero siguen espaciados 15 mts. esa explicación del alargamiento de las órbitas es un error muy difundido (en mi libro de Física de 7º de EGB) por cierto ¿se ve a Júpiter de día cuando estamos más alejados de él?.
Un saludo.


De: Francesc
2013-07-04 18:18:22

¿Y nos vas a dejar así?? ¿Cuando vas a sacar la tercera entrega?
@5 Conanché: un sólido no es sólido por su densidad (muchos fotones juntitos) sino porque existen mayores fuerzas que mantienen unidas sus partículas. ¿Qué fuerzas propondrías entre los fotones? Además un fotón sólo puede moverse a una velocidad, C, con lo cual tu éter nos atraviesa muy rápido y provocaría (spoiler) cambios de energía en todo lo que atravesara ¿Y cómo distingues los fotones de la luz de los fotones del éter?

@11 Ya, a mi también me falla algo en ese experimento, y creo que no está bien explicado. Hay un desfase en el tiempo en que tarda en llegar la luz, pero parecería el mismo y por lo tanto no se notaría. La clave es la distancia que se ha movido Júpiter en esa órbita de sus lunas. Supongamos -por simplificar, que tampoco me apetecen muchas ecuaciones- que Júpiter se está moviendo en perpendicular a la tierra. El tiempo que tarda en llegar el rayo de luz al principio de la órbita (r: distancia Tierra-Júpiter) es r/c. El tiempo que tarda en llegar al final de la órbita de su luna es raiz(r^2 +v^2T^2)/c dónde v sería la velocidad orbital de Júpiter, y T el periodo real del satélite. Por lo tanto el periodo medido es T+(r - raiz(r^2+v^2T^2) ) /c. Como ves la diferencia en el periodo depende de r (distancia Júpiter-Tierra)

"por cierto ¿se ve a Júpiter de día cuando estamos más alejados de él?"
Piensa en tres dimensiones, no 2 ;-)


De: Francesc
2013-07-04 18:26:51

Vamos, que al contrario de lo que pensé al leer la descripción del experimento, cuando Júpiter está en su punto más alejado medimos casi el periodo real (porque v^2*T^2 será mucho menor que r y la raíz será casi r) mientras que cuando Júpiter está "cerca" de la Tierra mediremos periodos mayores.


De: Pedro
2013-07-04 19:21:33

Francesc, habrá un artículo de otra cosa intercalado, y luego creo que el III.


De: galileo7
2013-07-04 19:41:01

Con el debido respeto insisto en que creo que Roemer midió la velocidad de la luz dividiendo el diámetro de la órbita terrestre alrededor del Sol entre el retardo temporal de una posición de las lunas de Júpiter en la situación alejada con respecto a la cercana de Júpiter (en mi libro de Física de 7º de EGB dice que el desplazamiento orbital de Júpiter es irrelevante. Acepto la correccción de pensar en 3 dimensiones y aclaro que el ejemplo del burro no iba con segundas (es que tengo familiares que viven en el campo).
Un saludo.


De: Francesc
2013-07-08 11:50:17

@15
Pues a decir verdad, sustituyendo en la fórmula que había dado, con el periodo de Ganímedes (el más favorable), la velocidad media de Júpiter, casi la menor distancia posible Júpiter-tierra... me da una diferencia de 0,18 segundos en el periodo, lo que probablemente era bastante difícil de detectar en la época.

Pero en la explicación que das no está nada claro como detectas el retardo temporal de la posición de la luna. ¿Con respecto a qué?

En cualquier caso, impresionante que "sólo" se equivocara al darle un36% menos de su valor


De: Luis
2013-07-08 12:14:49

Una preguntilla inocente: Si el sol está formado sólo por hidrógeno y helio al analizar la luz procedente del mismo deberíamos observar sólo las lineas del espectro correspondientes a estos dos elementos y no el espectro contínuo. Esta es mi laguna mental.


De: galileo7
2013-07-08 13:04:47

Si un satélite de Júpiter ocupa una posición p.e. salida de un eclipse a tal hora y tarda tanto tiempo en volver a esa posición (48 hs aproximadamente) en la posición de la Tierra más cercana al Sol, se calcula a que hora ocupará esa posición al de 6 meses (con la Tierra al otro lado del Sol lo más alejada de Júpiter) y si tarda 1.000 segundos en situarse en esa posición es que la luz ha tardado 1.000 segundos en recorrer los 300.000.000 Km. del diámetro de la órbita terrestre. De ser la tranlación de luz instantánea no habría ese retardo.
Un saludo.


De: Francesc
2013-07-09 11:38:47

@17
Lo del hidrógeno y helio es la versión simplificada. En realidad el sol contiene cerca del 2% de otros elementos (que estaban en la nube que colapsó para formarlo). Estos elementos provienen de estrellas anteriores que explotaron y formaron dicha nube. El hidrógeno que se convierte en helio es sólo una de las cadenas de la fusión, la predominante en el sol ahora. Puedes ver más aquí http://en.wikipedia.org/wiki/CNO_cycle

@18 Ya, si dicho así suena muy fácil. Tan fácil que, si podía observarse, deberían haber sido capaces también de detectar el desvío de la luz al pasar por el campo gravitatorio solar. Calcular con meses de antelación la posición de una luna de Júpiter tuvo que ser un infierno.


De: galileo7
2013-07-10 15:11:41

Hace 2.500 años Tales de Mileto predijo un eclipse de Sol, por otra parte si al alejarnos vemos el período orbital más prolongado ¿cual es en realidad el período de giro de los púlsares que están a millones de años luz de distancia y "parecen" girar en torno al segundo?.
Un saludo.


De: serxio
2013-07-10 20:20:35

Juazz, pues yo tengo un libro de física de mi abuela donde todavía se habla del éter. Creo que es de 1908.


De: Luis
2013-07-11 11:03:15

Gracias Francesc, me ha servido de mucho. Un saludo.


De: Francesc
2013-07-15 12:44:04

Se observa un retardo cuando el objeto se aleja, al estilo del corrimiento al rojo. El periodo sigue siendo el mismo, y si el objeto está a una distancia más o menos fija siempre se verá con el mismo periodo -el real. En el ejemplo que estamos discutiendo el "aumento del periodo" es realmente un retraso del evento "sale la luna" (como tú bien explicabas en el comentario 18)


De: ConanChé
2013-07-18 13:50:46

@13 Francesc

A ver, el sonido hace vibrar las partículas materiales.

Pues la luz, haría vibrar los fotones (partículas sin masa).

En el vacío sólo habría fotones (por eso allí la velocidad es mayor),

en el resto de medios, el espacio está compartido entre fotones y partículas materiales,

y cuando menos partículas hubiera, mayor número de fotones habría


De: Marciano
2013-07-21 20:45:41

Newton, mientras tanto, sonreiría desde su tumba.

¡Genial Pedro!.


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