Este documento resume la evolución del entendimiento de la naturaleza de la luz, desde las teorías de Huygens y Newton en el siglo XVII hasta la aceptación de su naturaleza dual onda-partícula en el siglo XX. Explica cómo científicos como Young, Fresnel, Maxwell, Hertz, Michelson y Morley contribuyeron al desarrollo de la teoría ondulatoria de la luz y su comprensión como onda electromagnética. Finalmente, señala cómo los trabajos de Planck, Einstein y otros llevar

1. Eric Calvo Lorente 2º Bachillerato Física
Sobre la Naturaleza
de la luz

2. Eric Calvo Lorente 2º Bachillerato Física
Huygens contra Newton.
Para Christian Huygens (1629-1695) la luz
era una onda que se propagaba en el éter.
Era la llamada Teoría Ondulatoria de la luz.
Para Isaac Newton (1642-1727), la luz se
componía de corpúsculos materiales. Es la
conocida como Teoría Corpuscular de la luz,
que considera que la luz está constituida por
pequeñísimas partículas materiales emitidas
a muy gran velocidad en línea recta, por los
cuerpos luminosos.
Principio de Huygens-Fresnel .
Cuando el movimiento ondulatorio alcanza los puntos que componen un
frente de onda, cada partícula del frente se convierte en una fuente secundaria de
ondas, que emite ondas secundarias que alcanzan la próxima capa de partículas del
medio. Entonces estas partículas se ponen en movimiento, formando el
subsiguiente frente de onda con la envolvente de estas semicircunferencias. El
proceso se repite, resultando la propagación de la onda a través del medio.
Reflexión y Refracción según Huygens.
A partir del enunciado anterior pueden explicarse tanto los fenómenos de reflexión
como los de refracción.
En el caso de la reflexión, los frentes de onda
incidente y equidistantes (AC y KL) alcanzan
la superficie de separación de los dos medios
en dos puntos asimismo equidistantes AKKK,
que a su vez emiten ondas esféricas que se
propagan con la misma velocidad que la luz
incidente; la envolvente de estas ondas es el
frente de ondas reflejado.

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En la refracción, los frentes de onda
incidentes equidistantes AC y KL alcanzan la
superficie de separación de los dos medios
en puntos igualmente equidistantes AKKK,
emitiendo ondas esféricas que se propagan
en el segundo medio (al que supondremos
más denso) con una menor velocidad que en
el medio inicial; la envolvente de estas
ondas constituye el frente de ondas
refractado.
(Ver Applet)
Reflexión y Refracción según Newton.
Según Newton, la reflexión se explicaría de
una manera muy simple al considerarla como
un choque elástico (sin pérdidas energéticas)
entre las partículas luminosas y la superficie
de separación.
Para explicar la refracción, Newton supuso que la
velocidad de la luz en los medios más densos
aumentaría, ya que el medio más denso ejercería una
atracción mayor sobre las partículas luminosas que
aumentaría la componente normal (a la superficie) de
la velocidad, dejando invariable la componente
tangencial (paralela a la superficie)

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Controversias .
La reputación de Newton era muy grande, por lo que la mayor parte de los
científicos se posicionaban a favor de la Teoría Corpuscular, que contaba con la
ventaja de no “necesitar” el éter, aunque no fuera capaz de explicar todos los
fenómenos luminosos.
Sin embargo, algunos de ellos eran partidarios de la Teoría Ondulatoria,
destacando Leonard Euler (1707-1783), que, en 1761 escribía: “Newton ha sido,
sin lugar a dudas, uno de los mayores genios que jamás hayan existido, y su
profunda ciencia y su penetración en los misterios más profundos de la naturaleza
permanecerá siempre como el asunto más llamativo de nuestra admiración y
nuestra posteridad; pero los desvaríos de este gran hombre deben servir para
humillarnos y reconocer la debilidad del espíritu humano, que habiendo ascendido
hasta el más alto grado al que los hombres sean capaces, se arriesga, sin embargo,
a caer en los mayores errores”. Esto no impidió que hubiese partidarios de la teoría
corpuscular hasta 1850.
Thomas Young.
Young es el primer científico interpretar los fenómenos de
interferencia y de difracción a partir de la teoría
ondulatoria. Explica también las coloraciones en láminas
delgadas y las franjas de difracción.
Sin embargo, fue muy discutido, siendo sus escritos muy
confusos, aunque nunca tuvo el público que mereció.

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Augustin Fresnel .
En 1815 Fresnel descubre la ley que
explica la aparición de franjas
coloreadas observadas en las sombras
de cuerpos iluminados por un punto
luminoso.
Consiguió, por primera vez, elaborar
una teoría completa de la difracción y de
las interferencias.
Junto con François Arago, descubre que la luz es una onda transversal.
Si para los científicos contemporáneos la naturaleza ondulatoria de la luz era difícil
de aceptar, aún más lo era su carácter de onda transversal.
En 1838, tras la muerte de Fresnel, Arago, para decantarse
por una u otra teoría de la luz, imagina un dispositivo con un
espejo rotatorio para comparar la velocidad de la luz en el
vacío y en el agua. La experiencia se conseguiría en 1850 por
Léon Foucault, y un año más tarde, por Hippolyte Fizeau, con
un resultado concluyente: la luz viajaba a menor velocidad
en el agua que en el aire; la Teoría Ondulatoria había
vencido.
Michael Faraday y James C. Maxwell.
En 1845 Michael Faraday establece, a partir de sus
experimentos, la hipótesis de considerar la luz como una
vibración de alta frecuencia de los campos magnético y
eléctrico.
James Maxwell, en 1962, demostró matemáticamente la
relación anterior, a partir de un conjunto de cuatro
ecuaciones denominadas ECUACIONES DE MAXWELL.
De ellas se deduce, entre otras cosas, que:
 Un campo eléctrico variable producía un campo
magnético variable, y viceversa. Comenzó a hablarse de
ELECTROMAGNETISMO
 La energía electromagnética producida se propagaba
por el espacio en forma de onda.
 La velocidad de propagación de estas ondas
electromagnéticas era de 3.108 m/s, igual a la velocidad
de la luz en el vacío
La conclusión era obvia: LA LUZ ERA UNA ONDA ELECTROMAGNÉTICA.

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Heinrich R. Hertz .
El alemán Hertz realizó experimentos con circuitos
de alto voltaje, en los que producía chispas que
generaban campos eléctricos y magnéticos
variables. Observó cómo estas chispas inducían otras, de manera instantánea, en
un segundo circuito de similares características.
“Algo” había alcanzado al segundo circuito. Y ese “algo” se comportaba
exactamente igual a la luz.
En 1885, la suposición (teórica) de Maxwell había sido demostrada
experimentalmente. En efecto, LA LUZ ERA UNA ONDA ELECTROMAGNÉTICA.
Se comprobó, además, que existían diferentes tipos de ondas electromagnéticas,
clasificándose y organizándose en lo que se denominó ESPECTRO
ELECTROMAGNÉTICO.

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Edward Morley
Elproblema del éter.
La naturaleza ondulatoria de la luz estaba clara. No obstante, había aún algún fleco
que resolver. Uno de ellos era la cuestión del ÉTER.
El problema subyacía desde tiempos de Huygens. Si la luz era una onda, entonces
debería necesitar de un medio en el que propagarse. Sin embargo, la luz podía
propagarse por el vacío. Huygens supuso entonces que el vacío no debía estar tan
vacío, sino, por el contrario, lleno de una sustancia que denominó ÉTER (término
utilizado por Aristóteles). De este modo, la luz consistiría en una vibración del éter.
Las propiedades de este éter debían ser extraordinariamente raras. Debía
impregnar toda la materia, en mayor medida cuanto menos densa fuese. De este
modo, la velocidad de la luz sería mayor cuanto mayor fuera la cantidad de éter del
medio. Por tal circunstancia, la luz se propagaría con velocidad máxima en el vacío,
siendo tal velocidad menor cuanto mayor fuera la densidad del medio.
En 1887, dos científicos norteamericanos, Albert Michelson y Edward Morley
diseñaron un experimento para detectar la existencia del éter.
Se trataba del experimento más
meticuloso jamás construido, capaz de
detectar distancias enormemente
precisas a partir de franjas de
difracción (Link)
La idea era medir el movimiento de la
Tierra en referencia al éter. Si nuestro
planeta se mueve en el seno del éter
en reposo y la luz viaja a una velocidad
constante respecto al éter, Michelson pensaba que si se medía
la velocidad de la luz (respecto a la Tierra) cuando esta se mueve
en la misma dirección y sentido del movimiento del Planeta resultaría una
velocidad inferior que cuando se midiera en sentido contrario.
El experimento resultó un fracaso, ya que los resultados indicaban que la Tierra no
se movía respecto al éter a pesar de hacerlo en distintas direcciones y con
diferentes velocidades a lo largo del año. Esto era absurdo
Albert Michelson

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Por fín………..la solución.
La solución a este enigma fue dada por Albert Einstein:
El éter no existía, y, por lo tanto, la luz era capaz de
propagarse en el vacío. Esta hipótesis formaba parte de
una estructura más compleja, conocida como TEORÍA
DE LA RELATIVIDAD, en la que el valor de la velocidad
de la luz resulta ser una constante (motivo por el cual
el experimento de Michaelson “resultaba fallido”).
Pero la luz aún tenía más sorpresas escondidas.
Otro fenómeno, esta vez asociado a la interacción entre la luz y la superficie de un
metal. Dicho fenómeno consistía básicamente en la emisión
de electrones por parte de una superficie metálica cuando
era iluminada por determinados tipos de luz. Es el conocido
como EFECTO FOTOELÉCTRICO. Era totalmente imposible
partiendo de la naturaleza ondulatoria de la luz. De nuevo
Albert Einstein dio la explicación, interpretando este efecto
como consecuencia de choques entre partículas de luz
(fotones) con los electrones del metal. Su origen se basaba
en una idea propuesta por Max Planck (HIPÓTESIS DE PLANCK) para explicar
matemáticamente el comportamiento del cuerpo negro.
En consecuencia, este fenómeno, junto con otros podían explicarse considerando la
TEORÍA CORPUSCULAR DE LA LUZ.
La solución final se produjo cuando los científicos aceptaron la doble naturaleza de
la luz (ONDA-CORPUÚSCULO). Este comportamiento dual no podía manifestarse
simultáneamente. Unos fenómenos se podrían explicar a través del
comportamiento ondulatorio de la luz (refracción, difracción,….), y otros, debido a
su comportamiento corpuscular (constituida por fotones).