Luz: ¿Partícula o onda?

La naturaleza exacta de la luz visible es un misterio que ha desconcertado al hombre durante siglos. Científicos griegos de la antigua disciplina pitagórica postularon que cada objeto visible emite un flujo constante de partículas, mientras que Aristóteles concluyó que la luz viaja de una manera similar a las olas en el océano. A pesar de que estas ideas han sufrido numerosas modificaciones y un grado significativo de evolución en los últimos 20 siglos, la esencia de la disputa establecida por los filósofos griegos permanece hasta el día de hoy.

Un punto de vista visualiza la luz como una ola en la naturaleza, produciendo energía que atraviesa el espacio de una manera similar a las ondas que se extienden por la superficie de un estanque quieto después de ser perturbado por una roca caída. La visión opuesta sostiene que la luz está compuesta por un flujo constante de partículas, muy parecido a las pequeñas gotas de agua rociadas desde una boquilla de manguera de jardín. Durante los últimos siglos, el consenso de opinión ha flaqueado con un punto de vista prevaleciendo durante un período de tiempo, solo para ser anulado por la evidencia a favor del otro. Solo durante las primeras décadas del siglo XX se recopiló suficiente evidencia convincente para proporcionar una respuesta integral, y para sorpresa de todos, ambas teorías resultaron ser correctas, al menos en parte.

A principios del siglo XVIII, la discusión sobre la naturaleza de la luz había convertido a la comunidad científica en campos divididos que luchaban vigorosamente por la validez de sus teorías favoritas. Un grupo de científicos, que se suscribió a la teoría de las ondas, centró sus argumentos en los descubrimientos del holandés Christiaan Huygens. El bando opuesto citó los experimentos con prisma de Sir Isaac Newton como prueba de que la luz viajaba como una lluvia de partículas, cada una procediendo en línea recta hasta que era refractada, absorbida, reflejada, difractada o perturbada de alguna otra manera. Aunque el propio Newton parecía tener algunas dudas sobre su teoría corpuscular sobre la naturaleza de la luz, su prestigio en la comunidad científica tuvo tanto peso que sus defensores ignoraron todas las demás pruebas durante sus feroces batallas.

La teoría de la refracción de la luz de Huygens, basada en el concepto de la naturaleza ondulatoria de la luz, sostenía que la velocidad de la luz en cualquier sustancia era inversamente proporcional a su índice de refracción. En otras palabras, Huygens postuló que cuanta más luz fuera «doblada» o refractada por una sustancia, más lenta se movería mientras atravesaba esa sustancia. Sus seguidores concluyeron que si la luz se componía de una corriente de partículas, entonces ocurriría el efecto opuesto porque la luz que entraba en un medio más denso sería atraída por moléculas en el medio y experimentaría un aumento, en lugar de una disminución, de la velocidad. Aunque la solución perfecta para este argumento sería medir la velocidad de la luz en diferentes sustancias, aire y vidrio, por ejemplo, los dispositivos de la época no estaban a la altura de la tarea. La luz parecía moverse a la misma velocidad, independientemente del material por el que pasara. Pasaron más de 150 años antes de que la velocidad de la luz pudiera medirse con una precisión lo suficientemente alta como para demostrar que la teoría de Huygens era correcta.

A pesar de la reputación de Sir Isaac Newton, varios científicos prominentes a principios de 1700 no estaban de acuerdo con su teoría corpuscular. Algunos argumentaron que si la luz consistía en partículas, entonces cuando se cruzan dos haces, algunas de las partículas chocarían entre sí para producir una desviación en los haces de luz. Obviamente, este no es el caso, por lo que concluyeron que la luz no debe estar compuesta de partículas individuales.

Huygens, a pesar de toda su intuición, había sugerido en su tratado de 1690 Traité de la Lumière que las ondas de luz viajaban a través del espacio mediadas por el éter, una sustancia mística sin peso, que existe como una entidad invisible en todo el aire y el espacio. La búsqueda del éter consumió una cantidad significativa de recursos durante el siglo XIX antes de ser finalmente sepultado. La teoría del éter duró al menos hasta finales de 1800, como lo demuestra el modelo propuesto por Charles Wheatstone que demuestra que el éter transportaba ondas de luz vibrando en un ángulo perpendicular a la dirección de propagación de la luz, y los modelos detallados de James Clerk Maxwell que describen la construcción de la sustancia invisible. Huygens creía que el éter vibraba en la misma dirección que la luz, y formaba una onda a medida que llevaba las ondas de luz. En un volumen posterior, el Principio de Huygens, describió ingeniosamente cómo cada punto de una onda podía producir sus propias wavelets, que luego se suman para formar un frente de onda. Huygens empleó esta idea para producir una teoría detallada del fenómeno de refracción, y también para explicar por qué los rayos de luz no chocan entre sí cuando se cruzan.

Cuando un haz de luz viaja entre dos medios con diferentes índices de refracción, el haz sufre refracción y cambia de dirección cuando pasa del primer medio al segundo. Para determinar si el haz de luz está compuesto de ondas o partículas, se puede idear un modelo para cada uno para explicar el fenómeno (Figura 3). De acuerdo con la teoría de ondas de Huygens, una pequeña porción de cada frente de onda en ángulo debería impactar en el segundo medio antes de que el resto del frente llegue a la interfaz. Esta porción comenzará a moverse a través del segundo medio mientras el resto de la onda todavía viaja en el primer medio, pero se moverá más lentamente debido al mayor índice de refracción del segundo medio. Debido a que el frente de onda ahora viaja a dos velocidades diferentes, se doblará en el segundo medio, cambiando así el ángulo de propagación. En contraste, la teoría de partículas tiene dificultades para explicar por qué las partículas de luz deben cambiar de dirección cuando pasan de un medio a otro. Los defensores de la teoría sugieren que una fuerza especial, dirigida perpendicularmente a la interfaz, actúa para cambiar la velocidad de las partículas a medida que entran en el segundo medio. La naturaleza exacta de esta fuerza se dejó a la especulación, y nunca se ha reunido evidencia para probar la teoría.

Otra excelente comparación de las dos teorías involucra las diferencias que ocurren cuando la luz se refleja desde una superficie lisa y especular, como un espejo. La teoría de ondas especula que una fuente de luz emite ondas de luz que se extienden en todas las direcciones. Al impactar un espejo, las ondas se reflejan de acuerdo con los ángulos de llegada, pero con cada onda vuelta hacia atrás para producir una imagen invertida (Figura 4). La forma de las ondas que llegan depende en gran medida de cuán lejos esté la fuente de luz del espejo. La luz proveniente de una fuente cercana aún mantiene un frente de onda esférico y altamente curvado, mientras que la luz emitida desde una fuente a distancia se extenderá más e impactará en el espejo con frentes de onda que son casi planos.

El caso de una naturaleza de partículas para la luz es mucho más fuerte con respecto al fenómeno de reflexión que con respecto a la refracción. La luz emitida por una fuente, ya sea cercana o lejana, llega a la superficie del espejo como una corriente de partículas, que rebotan o se reflejan desde la superficie lisa. Debido a que las partículas son muy pequeñas, un gran número de ellas están involucradas en un haz de luz que se propaga, donde viajan una al lado de la otra muy juntas. Al impactar el espejo, las partículas rebotan desde diferentes puntos, por lo que su orden en el haz de luz se invierte al reflejarse para producir una imagen invertida, como se muestra en la Figura 4. Tanto las teorías de partículas como las de ondas explican adecuadamente la reflexión desde una superficie lisa. Sin embargo, la teoría de partículas también sugiere que si la superficie es muy rugosa, las partículas rebotan en una variedad de ángulos, dispersando la luz. Esta teoría se ajusta muy de cerca a la observación experimental.

Las partículas y ondas también deben comportarse de manera diferente cuando se encuentran con el borde de un objeto y forman una sombra (Figura 5). Newton se apresuró a señalar en su libro de 1704, Opticks, que «Nunca se sabe que la luz siga pasajes torcidos ni se incline hacia la sombra». Este concepto es consistente con la teoría de partículas, que propone que las partículas de luz siempre deben viajar en líneas rectas. Si las partículas se encuentran con el borde de una barrera, proyectarán una sombra porque las partículas no bloqueadas por la barrera continúan en línea recta y no pueden extenderse detrás del borde. A escala macroscópica, esta observación es casi correcta, pero no está de acuerdo con los resultados obtenidos de experimentos de difracción de luz a una escala mucho más pequeña.

Cuando la luz pasa a través de una hendidura estrecha, el haz se extiende y se vuelve más ancho de lo esperado. Esta observación fundamentalmente importante le da una cantidad significativa de credibilidad a la teoría ondulatoria de la luz. Al igual que las ondas en el agua, las ondas de luz que se encuentran con el borde de un objeto parecen doblarse alrededor del borde y convertirse en su sombra geométrica, que es una región que no está iluminada directamente por el haz de luz. Este comportamiento es análogo a las olas de agua que se envuelven alrededor del extremo de una balsa, en lugar de reflejarse.

Casi cien años después de que Newton y Huygens propusieran sus teorías, un físico inglés llamado Thomas Young realizó un experimento que apoyaba fuertemente la naturaleza ondulatoria de la luz. Debido a que creía que la luz estaba compuesta de ondas, Young razonó que algún tipo de interacción ocurriría cuando dos ondas de luz se encontraran. Para probar esta hipótesis, utilizó una pantalla que contenía una sola hendidura estrecha para producir un haz de luz coherente (que contenía ondas que se propagaban en fase) de la luz solar ordinaria. Cuando los rayos del sol se encuentran con la hendidura, se extienden o difractan para producir un solo frente de onda. Si se permite que este frente ilumine una segunda pantalla con dos ranuras muy separadas entre sí, se producen dos fuentes adicionales de luz coherente, perfectamente en sintonía entre sí (ver Figura 6). La luz de cada ranura que viaja a un solo punto a medio camino entre las dos ranuras debe llegar perfectamente en el paso. Las ondas resultantes deben reforzarse entre sí para producir una onda mucho más grande. Sin embargo, si se considera un punto a ambos lados del punto central, la luz de una rendija debe viajar mucho más lejos para llegar a un segundo punto en el lado opuesto del punto central. La luz de la hendidura más cercana a este segundo punto llegaría antes que la luz de la hendidura distante, por lo que las dos ondas estarían desfasadas entre sí, y podrían cancelarse entre sí para producir oscuridad.

Como sospechaba, Young descubrió que cuando las ondas de luz del segundo conjunto de ranuras se extienden (o difractan), se encuentran y se superponen. En algunos casos, el solapamiento combina las dos ondas exactamente en el mismo paso. Sin embargo, en otros casos, las ondas de luz se combinan ligeramente o completamente desfasadas entre sí. Young descubrió que cuando las olas se encontraban al paso, se sumaban por un proceso que ha llegado a denominarse interferencia constructiva. Las ondas que se encuentran fuera de paso se cancelarán unas a otras, un fenómeno conocido como interferencia destructiva. Entre estos dos extremos, se producen diversos grados de interferencia constructiva y destructiva para producir ondas que tienen un amplio espectro de amplitudes. Young pudo observar los efectos de la interferencia en una pantalla situada a una distancia fija detrás de las dos ranuras. Después de ser difractada, la luz que se recombina por interferencia produce una serie de flecos brillantes y oscuros a lo largo de la pantalla.

Aunque aparentemente importantes, las conclusiones de Young no fueron ampliamente aceptadas en ese momento, principalmente debido a la abrumadora creencia en la teoría de partículas. Además de sus observaciones sobre la interferencia de la luz, Young postuló que la luz de diferentes colores estaba compuesta de ondas de diferentes longitudes, un concepto fundamental que es ampliamente aceptado hoy en día. En contraste, los defensores de la teoría de partículas imaginaron que varios colores se derivaban de partículas que tenían diferentes masas o que viajaban a diferentes velocidades.

El efecto de interferencia no se limita a la luz. Las ondas producidas en la superficie de una piscina o estanque se diseminarán en todas las direcciones y experimentarán un comportamiento idéntico. Donde dos ondas se encuentran en el paso, se sumarán para formar una onda más grande por interferencia constructiva. Las ondas colisionantes que están fuera de paso se cancelarán entre sí a través de interferencias destructivas y producirán una superficie nivelada en el agua.

Se descubrió aún más evidencia de la naturaleza ondulatoria de la luz cuando se examinó cuidadosamente el comportamiento de un haz de luz entre polarizadores cruzados (Figura 7). Los filtros polarizantes tienen una estructura molecular única que permite que solo pase la luz que tiene una sola orientación. En otras palabras, un polarizador puede considerarse un tipo especializado de persiana veneciana molecular que tiene pequeñas filas de listones que están orientados en una sola dirección dentro del material polarizador. Si se permite que un haz de luz impacte en un polarizador, solo los rayos de luz orientados en paralelo a la dirección de polarización pueden pasar a través del polarizador. Si un segundo polarizador se coloca detrás del primero y se orienta en la misma dirección, la luz que pasa a través del primer polarizador también pasará a través del segundo.

Sin embargo, si el segundo polarizador gira en un ángulo pequeño, la cantidad de luz que pasa se reducirá. Cuando el segundo polarizador se gira de manera que la orientación sea perpendicular a la del primer polarizador, entonces ninguna luz que pase a través del primer polarizador pasará a través del segundo. Este efecto se explica fácilmente con la teoría de ondas, pero ninguna manipulación de la teoría de partículas puede explicar cómo la luz es bloqueada por el segundo polarizador. De hecho, la teoría de partículas tampoco es adecuada para explicar la interferencia y la difracción, efectos que más tarde se encontrarían como manifestaciones del mismo fenómeno.

Los efectos observados con la luz polarizada fueron críticos para el desarrollo del concepto de que la luz consiste en ondas transversales que tienen componentes perpendiculares a la dirección de propagación. Cada uno de los componentes transversales debe tener una dirección de orientación específica que le permita pasar o ser bloqueado por un polarizador. Solo aquellas ondas con un componente transversal paralelo al filtro polarizador pasarán, y todas las demás se bloquearán.

A mediados de la década de 1800, los científicos se estaban convenciendo cada vez más del carácter ondulatorio de la luz, pero quedaba un problema dominante. ¿Qué es exactamente la luz? Se hizo un gran avance cuando el físico inglés James Clerk Maxwell descubrió que todas las formas de radiación electromagnética representan un espectro continuo, y viajan a través de un vacío a la misma velocidad: 186,000 millas por segundo. El descubrimiento de Maxwell clavó efectivamente el ataúd de la teoría de partículas y, en los albores del siglo XX, parecía que las preguntas básicas de la teoría de la luz y la óptica finalmente habían sido respondidas.

Un golpe importante a la teoría de las ondas ocurrió entre bastidores a finales de la década de 1880, cuando los científicos descubrieron por primera vez que, bajo ciertas condiciones, la luz podía desalojar electrones de los átomos de varios metales (Figura 8). Aunque al principio solo era un fenómeno curioso e inexplicable, rápidamente se descubrió que la luz ultravioleta podía liberar átomos de electrones en una amplia variedad de metales para producir una carga eléctrica positiva. El físico alemán Philipp Lenard se interesó en estas observaciones, que denominó el efecto fotoeléctrico. Lenard usó un prisma para dividir la luz blanca en sus colores componentes, y luego enfocó selectivamente cada color en una placa de metal para expulsar electrones.

Lo que Lenard descubrió lo confundió y lo asombró. Para una longitud de onda de luz específica (azul, por ejemplo), los electrones producen un potencial constante, o una cantidad fija de energía. La disminución o el aumento de la cantidad de luz produjo un aumento o disminución correspondiente en el número de electrones liberados, pero cada uno mantuvo la misma energía. En otras palabras, los electrones que escapaban de sus enlaces atómicos tenían energías que dependían de la longitud de onda de la luz, no de la intensidad. Esto es contrario a lo que se esperaría de la teoría de las ondas. Lenard también descubrió un vínculo entre la longitud de onda y la energía: las longitudes de onda más cortas producen electrones que tienen mayores cantidades de energía.

La base para una conexión entre la luz y los átomos se fundió a principios de 1800 cuando William Hyde Wollaston descubrió que el espectro del sol no era una banda continua de luz, sino que contenía cientos de longitudes de onda faltantes. Más de 500 líneas estrechas correspondientes a longitudes de onda faltantes fueron mapeadas por el físico alemán Joseph von Fraunhofer, quien asignó letras a los espacios más grandes. Más tarde, se descubrió que los huecos se producían a partir de la absorción de longitudes de onda específicas por átomos en la capa exterior del sol. Estas observaciones fueron algunos de los primeros enlaces entre los átomos y la luz, aunque el impacto fundamental no se entendió en ese momento.

En 1905, Albert Einstein postuló que la luz podría tener algunas características de partículas, independientemente de la abrumadora evidencia de una naturaleza ondulatoria. En el desarrollo de su teoría cuántica, Einstein sugirió matemáticamente que los electrones unidos a átomos en un metal pueden absorber una cantidad específica de luz (primero llamada cuántica, pero luego cambiada a fotón) y así tener la energía para escapar. También especuló que si la energía de un fotón era inversamente proporcional a la longitud de onda, las longitudes de onda más cortas producirían electrones con energías más altas, una hipótesis basada de hecho en los resultados de la investigación de Lenard.

La teoría de Einstein se solidificó en la década de 1920 por los experimentos del físico estadounidense Arthur H. Compton, quien demostró que los fotones tenían impulso, un requisito necesario para apoyar la teoría de que la materia y la energía son intercambiables. Casi al mismo tiempo, el científico francés Louis-Victor de Broglie propuso que toda la materia y la radiación tienen propiedades que se asemejan tanto a una partícula como a una onda. De Broglie, siguiendo el ejemplo de Max Planck, extrapoló la famosa fórmula de Einstein relacionando masa y energía para incluir la constante de Planck:

donde E es la energía de una partícula, m la masa, c es la velocidad de la luz, h es la constante de Planck y ν es la frecuencia. El trabajo de De Broglie, que relaciona la frecuencia de una onda con la energía y la masa de una partícula, fue fundamental en el desarrollo de un nuevo campo que finalmente se utilizaría para explicar la naturaleza de la luz como onda y partícula. La mecánica cuántica nació de la investigación de Einstein, Planck, de Broglie, Neils Bohr, Erwin Schrödinger y otros que intentaron explicar cómo la radiación electromagnética puede mostrar lo que ahora se ha denominado dualidad, o comportamiento similar a partículas y ondas. A veces la luz se comporta como una partícula, y otras veces como una onda. Este papel complementario, o dual, para el comportamiento de la luz se puede emplear para describir todas las características conocidas que se han observado experimentalmente, que van desde la refracción, reflexión, interferencia y difracción, hasta los resultados con luz polarizada y el efecto fotoeléctrico. Combinadas, las propiedades de la luz trabajan juntas y nos permiten observar la belleza del universo.