Definición de Luz

Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

Coloquialmente, llamamos luz a la porción del espectro electromagnético que es visible por el ojo humano. La luz visible se conforma por ondas electromagnéticas con una longitud de onda que oscila entre los 700 nm. y los 400 nm., o bien, por fotones con energías que se sitúan entre los 1.77 eV y los 3.10 eV.

La luz visible es una onda electromagnética al igual que las microondas, los infrarrojos, los rayos UV, entre otras. Sin embargo, y como su nombre lo indica, esta parte del espectro electromagnético es visible para nosotros, es por esto que durante la mayor parte de nuestra existencia como especie es con la que más hemos estado familiarizados.

A pesar de estar todo el tiempo rodeados por luz, la naturaleza de este fenómeno fue un misterio durante mucho tiempo. Esto llevó a un largo debate entre distintos científicos desde la invención de la ciencia moderna, misterio que fue resuelto con la llegada de la Mecánica Cuántica.

El misterio de la naturaleza de la luz

Isaac Newton es conocido por su “Principia” en dónde postuló sus 3 leyes del movimiento y sentó las bases de la mecánica clásica. No obstante, Newton también hizo estudios remarcables en la rama de la óptica. Basándose en sus experimentos con luz, Newton propuso que la luz estaba compuesta por pequeños corpúsculos para poder explicar cómo la luz se propagaba en línea recta y como la luz se refractaba al pasar de un medio a otro.

A pesar de que la hipótesis corpuscular de la luz podía explicar ciertos comportamientos de esta, no era capaz de explicar por qué una fracción de la luz se refractaba al pasar de un medio a otro pero otra fracción era reflejada; tampoco podía explicar la difracción, algo característico de las ondas. Debido a esto es que el astrónomo holandés Christiaan Huygens propuso que la luz en realidad se trataba de ondas que se propagaban a través de un medio invisible que permeaba todo el universo, al cual llamó “Éter”.

Thomas Young, motivado por esta cuestión, ideó un experimento en el cual hizo pasar luz a través de dos rendijas estrechas que se encontraban entre una fuente luminosa y una pared. Si la luz fuese de naturaleza corpuscular se verían en la pared dos franjas correspondientes a las rendijas, sin embargo, Young observó varias franjas difusas, lo cual concordaba con un patrón de interferencia característico de un comportamiento ondulatorio.

Hacia mediados del siglo XIX el debate sobre la naturaleza de la luz seguía en pie, el científico francés León Foucault en realidad no se veía muy interesado sobre la naturaleza de la luz, pero sí por su velocidad de propagación. Foucault ideó un experimento que consistía en un sistema de espejos, uno que se encontraba fijo y otro que rotaba. El ángulo que formaba el haz luminoso al reflejarse en estos espejos le permitió a Foucault obtener una medida de la velocidad de la luz la cuál calculó que tenía un valor de 298,000 km/s, un valor muy próximo al que conocemos actualmente.

También por esas fechas James Clerk Maxwell publicó sus famosas ecuaciones en dónde unificaba la electricidad y el magnetismo. Un curioso resultado de las ecuaciones de Maxwell es que predecían que los campos eléctricos y magnéticos podían comportarse como ondas que viajaban a una velocidad muy similar a la velocidad que se había calculado previamente para la luz. Sin embargo, las ecuaciones de Maxwell también predecían algo muy extraño en ese entonces: Estas ondas electromagnéticas podían propagarse a través del vacío y además lo hacían a una velocidad constante. Por lo tanto, si la luz era una onda electromagnética que podía propagarse por el vacío, la hipótesis del éter quedaba completamente descartada.

En 1887 Albert Michelson y Edward Morley desarrollaron un ingenioso experimento para medir la velocidad de luz con respecto al famoso éter. El experimento de Michelson – Morley consistía en un interferómetro en el que dos rayos de luz incidían perpendicularmente entre ellos. Como la Tierra está girando alrededor del Sol se puede decir que se mueve con respecto al éter. Este diseño experimental se realizó de tal manera que uno de los rayos de luz viajaba en la misma dirección del movimiento de traslación de la Tierra y otro viajaba en dirección opuesta. Lo que Michelson y Morley pensaban encontrar era que ambos rayos de luz llegaban en tiempos diferentes a los espejos que se encontraban en sentido opuesto a las fuentes luminosas, lo cuál encajaría con la hipótesis del éter. Sin embargo, Michelson y Morley repitieron el experimento varias veces y siempre observaban que ambos rayos de luz llegaban al mismo tiempo, esto concordaba por lo predicho por las ecuaciones de Maxwell y la hipótesis del éter se desechó por completo.

Llegados a este punto parecía que el gran misterio de la naturaleza de la luz estaba resuelto, pero llegó la Mecánica Cuántica. Hacia finales del siglo XIX y principios del siglo XX uno de los problemas que se intentaba resolver era el cómo la materia emitía radiación en forma de ondas electromagnética en función de su temperatura. Todos los cuerpos con una temperatura diferente al cero absoluto emiten radiación, esta es la razón por la cual un metal al rojo vivo comienza a brillar, por qué las estrellas son de distintos colores y por qué nosotros emitimos radiación infrarroja.

Hacía 1900 muchos físicos intentaron resolver este problema utilizando un objeto idealizado que nombraron “cuerpo negro”. A pesar de los grandes esfuerzos, ninguna de las soluciones propuestas coincidía con los resultados experimentales, este episodio de la historia de la Física se conoce como “La Catástrofe Ultravioleta”.

El físico alemán Max Planck propuso una solución un tanto extraña y creativa a este problema. El supuso que la energía emitida por un cuerpo con cierta temperatura no se emitía de manera continua, sino que se emitía en pequeños paquetes discretos de energía a los que llamó “cuantos”, de aquí es que viene la palabra “cuántica”. Esta ingeniosa suposición hacía que las predicciones teóricas encajaran perfectamente con los resultados experimentales. No obstante, esta idea propuesta por Planck no fue bien recibida por la comunidad científica e incluso el mismo Planck expresaba que su idea era sólo un truco matemático que permitía resolver el problema pero que no tenía ningún significado físico.

Años más tarde, en 1905, Albert Einstein utilizó la misma idea de Planck para explicar el Efecto Fotoeléctrico, el cual comprende la emisión de electrones a partir de un material cuando este es irradiado con radiación electromagnética. Einstein supuso que las ondas electromagnéticas portaban energía de forma discreta en cuantos como propuso Planck y que esa energía era transferida a los electrones los cuales escapaban de los átomos al recibir cierta cantidad de energía. Sin embargo, esta hipótesis de Einstein venía a abrir de nuevo el debate sobre la naturaleza de la luz ya que eso podía ocurrir sólo si la luz tuviera naturaleza corpuscular.

El científico estadounidense Robert Millikan no quedó satisfecho con la solución de Einstein y se dispuso a tratar de desmontarla. Millikan estuvo casi una década realizando experimentos con efecto fotoeléctrico y los resultados experimentales concordaban con la hipótesis corpuscular de Einstein. Esto les valió el Premio Nobel de Física a Einstein y Millikan en 1921 y 1923, respectivamente.

Entonces… ¿La luz es una onda o una partícula?

La revolución que supuso la Mecánica Cuántica en la manera que entendemos el mundo también alcanzó a la luz. Las ecuaciones de Maxwell indican que la luz es una onda electromagnética, pero la teoría cuántica apunta hacía un comportamiento corpuscular para la luz. Ante este debate surge la pregunta: ¿La luz es una onda o una partícula? Y la respuesta es que es las dos al mismo tiempo.

Esto es lo que se conoce como “Dualidad Onda – Partícula de la Luz” y es que ambas naturalezas de la luz, ondulatoria y corpuscular, no pueden separarse. Algunos fenómenos pueden entenderse apelando a la luz como una onda electromagnética, por otro lado, hay ciertos fenómenos en donde la luz parece interactuar en forma de partículas sin masa conocidas como “fotones”.

Nada puede viajar más rápido que la luz

El hecho de que la luz pudiera viajar por el vacío no fue la predicción más sorprendente hecha por las ecuaciones de Maxwell, y es que, estas ecuaciones también explicaban que la velocidad de luz era una constante universal, es decir, era la misma para cualquier observador en el Universo. Si uno viaja en un tren que se mueve a 100 km/h y arroja una pelota hacia adelante a una velocidad de 20 km/h, un observador externo vería que la pelota lanzada viajaría a una velocidad de 120 km/h. No obstante, esto no sucede con la luz. Un observador externo no vería que la luz del tren viaja a la velocidad de la luz más los 100 km/h del tren.

¿Cómo se explica que la velocidad de la luz resulte igual para todos los observadores, sin importar su estado de movimiento? Este simple hecho llevó a Albert Einstein a desarrollar su Teoría de Relatividad Especial y posteriormente su Teoría de Relatividad General.

Imaginemos el siguiente escenario: Un astronauta se encuentra dentro de una nave que viaja a una velocidad muy cercana a la de la luz y otro astronauta se encuentra quieto fuera de la nave. El astronauta de la nave decide lanzar un rayo láser desde la nave. El astronauta que se encuentra dentro de la nave vería que el rayo láser se mueve a la velocidad de la luz con respecto a la nave, pero el observador externo vería exactamente lo mismo. Esto puede ser posible sólo si la percepción del espacio y del tiempo se modifican para el astronauta que se encuentra dentro de la nave viajando a una velocidad cercana de la luz. Además, la Teoría de la Relatividad de Einstein nos dice que ningún cuerpo con masa puede viajar más rápido que la luz, por lo tanto, la velocidad de la luz es la velocidad límite del Universo.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Art. actualizado: Oct. 2022; sobre el original de noviembre, 2008.

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