La teoría ondulatoria de la luz es una teoría que busca explicar la naturaleza de la luz y considera a esta una onda electromagnética. Fue formulada en 1678 por el físico holandés Christian Huygens, aunque en su momento tuvo escasa aceptación por parte de otros científicos.
A lo largo de su historia, la humanidad siempre sintió un vivo interés por comprender la luz, y en cada época, científicos y pensadores elaboraron diversas teorías. Sin embargo, la teoría ondulatoria es la que explica con mayor acierto fenómenos propios de la luz, como la interferencia, que consiste en la superposición de dos o más ondas en un lugar del espacio.
La interferencia es un fenómeno que solo ocurre en las ondas, no en las partículas (a nivel macroscópico).
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Historia
Los descubrimientos científicos del siglo XIX aportaron una fuerte evidencia que soporta a la teoría ondulatoria. Uno de ellos fue el patrón de bandas claras y oscuras que el físico inglés Thomas Young encontró en su famoso experimento de la doble rendija. Únicamente las ondas son capaces de tal comportamiento (ver figura 7).
Pero antes de eso la luz fue considerada también como un chorro de partículas que emanaba de los objetos: es la teoría corpuscular de la luz propuesta por Isaac Newton (1642-1727), de quien Huygens fue más o menos contemporáneo.
Con su teoría corpuscular, Newton también pudo explicar satisfactoriamente fenómenos cotidianos como la refracción y la reflexión. Y a comienzos del siglo XX surgieron nuevos hallazgos a favor de dicha teoría.
Entonces cabe preguntarse: ¿qué es finalmente la luz? La respuesta está en una naturaleza dual: al propagarse, la luz exhibe comportamiento de onda y al interactuar con la materia, lo hace como una partícula: el fotón.
Explicación
La reflexión y la refracción de la luz son comportamientos que esta tiene cuando pasa de un medio a otro. Gracias a la reflexión vemos nuestro reflejo en superficies metálicas pulidas y en espejos.
La refracción se observa cuando un lápiz o una varilla parecen dividirse en dos al estar parcialmente sumergidos en agua o simplemente los vemos a través del vidrio del vaso.
Por otro lado, la luz viaja en línea recta, algo que Christian Huygens también había observado y para explicarlo. Huygens propuso lo siguiente:
-La luz consiste en un frente de ondas plano que se propaga siguiendo una línea recta.
-Tanto la reflexión como la refracción se producen porque cada frente de ondas es equivalente a un rayo de luz.
-Se requiere un medio material llamado éter, para que la luz se propague, tal y como el sonido necesita del aire para transmitirse.
Huygens creía que la luz era una onda longitudinal, al igual que el sonido, cuyo comportamiento era mucho mejor conocido para la época gracias a los experimentos de Robert Boyle (1627-1691). Así lo dejó plasmado en su obra titulada Tratado de la luz.
Muchos científicos buscaron afanosamente al éter propuesto por Huygens, pero nunca dieron con él.
Y como la teoría corpuscular de Newton también explicaba la reflexión y la refracción, esta prevaleció hasta principios del siglo XIX, cuando Thomas Young llevó a cabo su famoso experimento.
El principio de Huygens
Para explicar la reflexión y la refracción de la luz, Huygens desarrolló una construcción geométrica llamada principio de Huygens:
Cualquier punto de un frente de ondas es, a su vez, una fuente puntual que también produce ondas esféricas secundarias.
Se trata de ondas esféricas, porque suponemos que el medio en el que viajan es homogéneo, así que una fuente de luz emite rayos que se propagan en todas las direcciones por igual. En los frentes o superficies de onda, todos los puntos están en el mismo estado de vibración.
Pero cuando la fuente está lo bastante lejos, un observador percibe que la luz viaja en dirección perpendicular al frente de ondas, el cual se percibe como un plano a causa de la distancia, y además lo hace en línea recta.
Así sucede con los rayos provenientes de una fuente relativamente lejana, como el Sol.
La luz como una onda electromagnética
Esta es una predicción de las ecuaciones formuladas por James Clerk Maxwell (1831-1879) durante el siglo XIX. Cuando los campos eléctrico y magnético dependen del tiempo, están vinculados de tal forma que uno de ellos genera al otro.
Acoplados, los campos viajan como una onda electromagnética capaz de propagarse incluso en el vacío.
Los campos eléctrico y magnético son perpendiculares entre sí y a la dirección de propagación de la onda. La luz no es una onda longitudinal, como creía Huygens, sino transversal.
Cuando los átomos y las moléculas reordenan sus electrones constituyentes emiten luz, así sucede en nuestro Sol. De allí la luz viaja en el vacío del espacio a velocidad constante, llega a la Tierra y sigue camino en los medios materiales, como el aire y el agua.
La luz visible ocupa una pequeña franja de frecuencias en el espectro electromagnético, ya que solamente vemos aquellas a las cuales el ojo es sensible.
Ejemplos de la teoría corpuscular
La naturaleza ondulatoria de la luz y su propagación rectilínea se ponen de manifiesto en:
-Los fenómenos propios de las ondas de todo tipo, que la luz es igualmente capaz de experimentar, tales como la polarización, la interferencia, la difracción, la reflexión y la refracción.
-Los colores iridiscentes que se forman en las películas delgadas de jabón.
-El experimento de Young, en el cual un frente de ondas incide sobre las dos rendijas, dando lugar a nuevos frentes de ondas que se combinan (interfieren) sobre la pantalla de enfrente. Allí se forma un patrón característico de bandas brillantes alternando con bandas oscuras.
-La formación de sombras, las zonas oscuras que aparecen cuando un objeto se interpone entre la luz y nuestros ojos. Si la luz no se propagara en forma rectilínea sería posible ver a través de los objetos opacos.
Aplicaciones
Al poseer cualidades de onda, la luz tiene un sinnúmero de aplicaciones:
Películas delgadas
La interferencia destructiva de la luz en películas delgadas -como las mencionadas pompas de jabón- se aplica para fabricar recubrimientos antirreflectantes para anteojos.
El láser
Es una fuente de luz intensa y coherente, la cual fue posible construir una vez que se entendió la naturaleza onda-partícula de la luz.
Holografía
Es una técnica en la que se graba sobre una placa fotográfica plana el patrón de interferencia de un objeto tridimensional.
Luego, iluminado la placa con la fuente luminosa adecuada (generalmente láser) se reconstruye la imagen tridimensional del objeto.
Polarimetría
Es una técnica que hace uso de la polarización de la luz, un fenómeno que surge cuando el campo electromagnético oscila siempre en una misma dirección.
La polarimetría se aplica industrialmente para conocer las zonas donde las piezas experimentan mayores esfuerzos mecánicos. De esta forma se optimizan el diseño y los materiales de construcción.
Interferometría
La interferometría es una técnica que se vale del fenómeno de la interferencia luminosa. Se usa en astronomía al combinar la luz proveniente de varios telescopios, para así formar una red con mayor resolución.
Se aplica tanto en radiofrecuencia (otra región del espectro electromagnético que no es visible), así como en el rango óptico. Otra aplicación de la interferometría es en la detección de grietas y fallas en piezas manufacturadas.
Referencias
- Figueroa, D. (2005). Serie: Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 7. Ondas y Física Cuántica. Editado por Douglas Figueroa (USB).
- Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed Prentice Hall.
- Rex, A. 2011. Fundamentos de Física. Pearson.
- Romero, O. 2009. Física. Santillana Hipertexto.
- Serway, R. 2019. Física para Ciencias e Ingeniería. 10ma. Edición. Volumen 2. Cengage.
- Shipman, J. 2009. An Introduction to Physical Science. Twelfth edition. Brooks/Cole, Cengage Editions.
- Wikipedia. Luz. Recuperado de: es.wikipedia.org.