¿Qué es la luz?

Esta inocente pregunta ha causado grandes quebraderos de cabeza a los más importantes científicos de los últimos siglos. Christian Huygens propuso, en su Tratado de la Luz, publicado en 1678, que la luz tenía una naturaleza ondulatoria, igual que el sonido o las ondas en la superficie del agua. Esta idea también fue defendida por Robert Hooke, lo que le llevó a enfrentarse con el gran Isaac Newton, partidario de un modelo corpuscular de la luz, que quedaría recogido en su tratado Opticks, de 1704. Para Newton la luz estaba formada por pequeñísimas partículas que avanzan a través de un medio gracias a la propia inercia de su movimiento, lo cual podía explicar fenómenos como las sombras de los cuerpos, la reflexión o la refracción, bajo el supuesto de que su velocidad aumentaba al pasar de un medio a otro de mayor densidad.

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La relevancia de la figura de Newton hizo que su teoría de la luz dominase el panorama científico hasta que unos cien años después, en 1801, Thomas Young demostrase que la luz tenía un comportamiento ondulatorio, ya que su famoso experimento de la doble rendija mostraba cómo el fenómeno de interferencia, característico de las ondas, también lo experimentaba la luz:

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En los años posteriores otros muchos científicos, como Augustin Fresnel, realizaron experiencias que respaldaban la teoría ondulatoria de la luz, y determinaron, cada vez con más precisión, la velocidad a la que ésta se propagaba. En 1849, el parisino Hippolyte Fizau había atrapado un rayo de luz en un laberinto de espejos y, armado con un delicado mecanismo, logró medir su velocidad en el aire, obteniendo un valor de unos 315 000 000 m/s, que su compatriota Foucault afinó hasta los 298 000 000 m/s. El golpe definitivo a la teoría corpuscular vino cuando se observó que su velocidad disminuía al pasar de un medio a otro de mayor densidad, lo que contradecía las explicaciones de Newton.

A lo largo del siglo XIX se realizaron grandes avances en el conocimiento de los campos eléctricos y magnéticos, que culminaron en el año 1865 cuando el físico James Maxwell unificó los fenómenos eléctricos y magnéticos en una única teoría electromagnética. De ellas se desprendía que las perturbaciones del campo electromagnético se propagaban a una velocidad constante, próxima a los 300 000 000 m/s.

Este valor era sospechosamente cercano al de las mediciones que se habían hecho de la velocidad de la luz. Ante tan asombrosa coincidencia, Maxwell se atrevió a anunciar: la velocidad se aproxima tanto a la de la luz que, según parece, existen poderosas razones para concluir que la propia luz es una perturbación electromagnética que se propaga en forma de ondas a través del campo electromagnético, de acuerdo con las leyes electromagnéticas.

Todas las ondas se pueden describir mediante una expresión llamada ecuación de onda. A partir de las ecuaciones de la teoría electromagnética de Maxwell es posible obtener una ecuación de onda, análoga a la que describe las ondas sonoras, por lo que es posible deducir que:

La luz es una onda electromagnética, ya que se produce por la propagación de una perturbación de un campo eléctrico y un campo magnético simultáneos y perpendiculares entre sí.

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Las ondas electromagnéticas son ondas transversales, ya que las perturbaciones son perpendiculares a su dirección de propagación. Además, los campos eléctrico y magnético están en fase, es decir, ambos alcanzan su valor máximo (o mínimo) simultáneamente. A diferencia de las ondas mecánicas, las ondas electromagnéticas no requieren un medio material para su propagación. Por eso, la luz del Sol llega a la Tierra después de recorrer una gran distancia en el vacío.

Las ondas electromagnéticas que acabamos de definir se caracterizan por los mismos parámetros que las demás ondas, que son la amplitud, el periodo, la frecuencia y la longitud de onda. Cuando hablamos de luz, en general, hacemos referencia a aquellas ondas electromagnéticas que somos capaces de percibir. Al igual que existe un rango de sonidos audibles, la luz visible se corresponde con las ondas electromagnéticas que son capaces de estimular la retina, y son aquellas que tienen una longitud de onda comprendida entre 400 y 700 nm, aproximadamente. En realidad, existen muchísimas ondas o radiaciones electromagnéticas, que en conjunto forman lo que se conoce como espectro electromagnético:

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P.D.: En el año 1900 Max Planck dio una vuelta de tuerca al estudio de la naturaleza de la luz, abriendo el camino de la mecánica cuántica, aunque esa historia la dejaremos para otro momento…

Reading: The Theory of Special Relativity

The speed of light, represented by the symbol c, is 300 000 000 m/s (meters per second) in a vacuum. If light could travel around Earth’s equator, it would make over 7 trips each second! The very great speed of light makes it dificult to measure changes in the speed of light caused by motion of frames of reference that are familiar to you on Earth.

In the early part of the 20th century, Einstein showed that light does not obey the laws of speed addition that we have seen in objects on Earth’s surface. His theory predicted that light traveled at the same speed in all frames of reference, no matter how fast the frames were moving relative to one another.

As a young clerk in the Swiss patent office, Albert Einstein postulated that the speed of light in a vacuum is the same for all observers. Einstein recognized that light and other forms of electromagnetic radiation (including x – rays, microwaves, and ultraviolet waves) could not be made to agree with the laws of relative motion seen on Earth. Einstein modified the ideas of relativity to agree with the theory of electromagnetic radiation. When he did, he uncovered consequences that have changed the outlook of not only physics but the world.

The ideas of Einstein’s Theory of Special Relativity are stated in two postulates:

  • The laws of physics are the same in all inertial frames of reference. (Remember that inertial frames of reference are those in which Newton’s First Law of Motion holds. This automatically eliminates frames of reference that are accelerating.)
  • The speed of light is a constant in all inertial frames of reference.

The first postulate adds electromagnetism to the frames of reference discussed. Its implications become clear when you begin to ask questions. Is the classroom moving or standing still? How do you know? Remember that an observer in an inertial frame of reference is sure that he or she is standing still. An observer in an airplane would be convinced that he or she is standing still and that your classroom is moving. The meaning of the first postulate is that there is no experiment you can do that will tell you who is really moving.

The second postulate, however, produces results that seem to defy common sense. You can add speeds of objects in inertial frames of reference. But you cannot add the speed of light in motion of an inertial frame of reference.

Physicists say that two events are simultaneous if a light signal from each event reaches an observer standing halfway between them at the same instant. These postulates lead to the idea that simultaneity depends on the observer. You cannot say whether two events in different places occurred at the same time unless you know the position of the observer.

UdADX

¿Cómo medir la velocidad de la luz en casa?

Sencillo: ¡con un tranchete y un microondas! Veamos cómo con este curioso experimento casero.

Las microondas son ondas electromagnéticas, igual que la luz, y como tales se mueven a la misma velocidad. En el horno microondas, al igual que ocurre en una cuerda, las ondas se reflejan una y otra vez,  produciéndose ondas estacionarias:

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La reflexión provoca una interferencia constructiva, de modo que la onda resultante muestra nodos y picos de máxima intensidad a distancias regulares:

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Donde aparecen los picos la energía de la onda es mayor, y para que la comida se caliente de manera más uniforme el plato del microondas gira. Si quitamos el plato giratorio de nuestro microondas y colocamos en él un plato con una tira de queso y calentamos a baja potencia, conseguiremos que los puntos en los que incide más energía se calienten primero y se derritan:

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La distancia entre esos dos puntos es la distancia entre dos picos, es decir, la mitad de la longitud de onda de la radiación:

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Como se puede apreciar en la imagen, la distancia entre dos picos consecutivos es de unos 6 cm, es decir, que la longitud de onda es de 12 cm:

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Teniendo en cuenta la frecuencia a la que trabaja nuestro microondas (unos 2 450 MHz) podremos determinar la velocidad de la radiación electromagnética, ya que:

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Por tanto:

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El valor logrado es razonablemente bueno si tenemos en cuenta los medios con los que se ha realizado.

¡Ah! Si eres más de dulces, también puedes hacerlo con chocolate o con un regaliz. ¡Inténtalo y me cuentas! 

El experimento de Michelson–Morley

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La teoría electromagnética de Maxwell demostraba que la luz era una onda electromagnética, pero para comprender su movimiento ondulatorio los físicos de finales del siglo XIX se veían condicionados a suponer la existencia del éter, un medio elástico que llenaba todo el espacio y que permitiría la propagación de la luz a través de él.

De modo que el éter rodeaba todo a nuestro alrededor, y no sólo la luz viajaba en su seno, sino que incluso la Tierra se desplazaba a través de él por el espacio.

La Tierra a través del éter

Si nuestro planeta se mueve en el seno del éter en reposo y la luz viaja a una velocidad constante respecto al éter, podríamos pensar que si se mide la velocidad de la luz (respecto a la Tierra) cuando ésta se mueve en la misma dirección y sentido del movimiento del planeta resultaría una velocidad inferior que cuando se mide en sentido contrario.

Podemos imaginarnos esta situación si consideramos el movimiento de dos nadadores que parten del mismo punto de un río. Ambos nadan a la misma velocidad y recorren la misma distancia de ida y vuelta, pero uno de ellos lo hace en dirección perpendicular a la corriente y el otro lo hace a contracorriente:

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El primer nadador tarda menos en recorrer la misma distancia, ya que tanto el punto de referencia como él se ven arrastrados de la misma manera por la corriente, por lo que ésta no afecta a su movimiento. Sin embargo, el segundo llegará más tarde, pues la corriente se opone a su movimiento.

Cuanto mayor sea la velocidad de la corriente mayor será el tiempo que emplea en recorrer la misma distancia. Así, la velocidad de la corriente podría determinarse a partir de la diferencia de tiempos entre el primer y el segundo nadador.

Al igual que un nadador contracorriente es frenado por el arrastre del río, un haz de luz viajando en la misma dirección que se movía la Tierra en torno al Sol resultaría frenado por el “viento del éter”.

Michelson pensó que si en lugar de nadadores, considerásemos dos haces de luz que se desplazan perpendicularmente, uno en la misma dirección que el movimiento de la Tierra respecto al éter y otro de manera perpendicular a éste, deberíamos notar una pequeña diferencia (la luz se mueve diez veces más rápido que la Tierra) entre ambos movimientos, es decir, que la luz se movería con diferente velocidad dependiendo de la dirección en la que se propague.

El experimento de Michelson y Morley

Albert Michelson era un científico obsesionado con la precisión. Ya en 1879 midió la velocidad de la luz obteniendo el valor de 299.940 kilómetros por segundo. Para poder medir la velocidad de la Tierra con respecto al éter, Michelson diseñó en 1881 un aparato denominado interferómetro:

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Estuvo perfeccionándolo durante años y, con la ayuda de Morley, en 1887, llevó a cabo el siguiente experimento:

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El planteamiento es el siguiente. La luz procedente de una fuente incide sobre un espejo semitransparente A, que en parte se refleja y en parte se transmite. El haz reflejado llega hasta el espejo M2 y vuelve hasta el punto de observación O donde miramos con nuestro ojo. El haz transmitido viaja hacia el espejo M1 pasando a través de una placa de vidrio B y vuelve de nuevo hacia el espejo semitransparente y más tarde al ojo situado en O. La placa B que tiene el mismo espesor que el espejo semitransparente es para garantizar que los dos haces 1 y 2 atraviesen el mismo espesor de vidrio. Cuando los dos haces se junten en O formarán un diagrama de interferencias. Si los dos haces se recombinan en fase, la intensidad de la luz aumentará (interferencia constructiva). Si por el contrario los haces se recombinan con fase opuesta (interferencia destructiva) la intensidad disminuirá llegando incluso a producirse una franja oscura.

Durante el experimento el interferómetro giraba lentamente mientras Michelson, sin tocar el instrumento, leía y Morley anotaba las lecturas de las franjas de interferencia. Uno de los haces, el que viaja en la dirección del desplazamiento de la Tierra, debería sufrir el arrastre del éter y llegar más tarde al punto de encuentro, perdiendo la sincronía con el otro haz. Sin embargo, lo que encontraron fue inesperado: se halló un perfecto acuerdo entre ambos, para cualquier orientación del interferómetro las franjas de interferencias permanecían, sin desplazarse, en la misma posición:

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La velocidad de los haces de luz era la misma en cualquier dirección (observa esta simulación). A pesar del cuidadoso esmero con que se realizaron los experimentos, el movimiento de la Tierra respecto al éter no pudo ser detectado.

Esto planteaba un importante dilema: o bien el éter no existe, y por eso no se puede detectar el movimiento de ningún cuerpo respecto a él, o bien existe y los cuerpos se mueven en su seno, pero hay ciertos mecanismos de compensación que anulan los efectos de este movimiento.

¿Cuál fue la respuesta de la ciencia a este experimento? ¿Influyó en el desarrollo de la teoría de la relatividad?

Los antecedentes históricos de la teoría de la relatividad

En el siglo XIX se había alcanzado un gran desarrollo de la física y se tenían ya desarrolladas las grandes teorías de la dinámica, la óptica, el electromagnetismo o la termodinámica. Incluso Lord Kelvin se atrevió a decir que no quedaba “nada nuevo por descubrir en la física actualmente” y que lo único que faltaba era “tener mediciones más precisas”. Sin embargo, la física clásica se tuvo que enfrentar a nuevos retos y contradicciones que pusieron en tela de juicio las teorías clásicas y las concepciones más arraigadas en la comunidad científica.

La naturaleza electromagnética de la luz

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A finales del siglo XIX se había llegado a la conclusión, gracias a los trabajos de Maxwell y Hertz, de que la luz era una onda electromagnética.

En el año 1865 el físico James Maxwell unificó los fenómenos eléctricos y magnéticos en una única teoría electromagnética. Con ellas se podían describir las perturbaciones del campo electromagnético con las mismas expresiones que las ondas sonoras y permitían deducir su velocidad de propagación, próxima a los 300 000 000 m/s.

Este valor era sospechosamente cercano al de las mediciones que se habían hecho de la velocidad de la luz. En 1849, el parisino Hippolyte Fizau había atrapado un rayo de luz en un laberinto de espejos y, armado con un delicado mecanismo, logró medir su velocidad en el aire, obteniendo un valor de unos 315 000 000 m/s, que su compatriota Foucault afinó hasta los 298 000 000 m/s.

Ante tan asombrosa coincidencia, Maxwell se atrevió a anunciar: la velocidad se aproxima tanto a la de la luz que, según parece, existen poderosas razones para concluir que la propia luz es una perturbación electromagnética que se propaga en forma de ondas a través del campo electromagnético, de acuerdo con las leyes electromagnéticas.

El éter luminífero

Al igual que todos los movimientos ondulatorios conocidos, la luz necesitaría un medio material para propagarse lo que hizo suponer la existencia de un medio elástico que llenaba el espacio y que denominaron éter.

La existencia del éter presuponía que la velocidad de la luz, de la que se habían hecho mediciones muy precisas, era sólo válida en un sistema de referencia respecto al cual el éter estuviera en reposo. En cualquier otro sistema de referencia sería otra debido a que el éter arrastraría la luz en su movimiento.

El esfuerzo experimental (véase el experimento de Michelson y Morley) realizado para comprobar de algún modo si existía un sistema de referencia preferible a todos los demás permitió descartar la existencia del éter, una de las bases de la teoría de la relatividad.