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El Paraíso de las Matemáticas - Historia ~ Newton y el estudio de la luz
.: Historia :.
 
Newton y el estudio de la luz

    ¿ Qué es la luz ? Esta pregunta se ha planteado ya desde los comienzos del estudio de la física, pero al tratar de dar una explicación sencilla, se ha tropezado con grandes dificultades. Sin embargo existen y se siguen acumulando muchas experiencias que tendrían que dar una respuesta lógica y sin contradicciones.

    En la antigüedad se habla comenzado por creer que los ojos emitían finísimos rayos o tentáculos que podían ''palpar'' los objetos y nos daban la sensación de ver. Actualmente mediante las máquinas fotográficas queda demostrado que la luz provoca una transformación en la placa fotográfica, sin participación de nuestros ojos.

    La luz es una acción que se transmite desde una fuente luminosa, se refleja en cada punto de un objeto en todas direcciones y puede ser percibida en cualquier punto del espacio.

    Ya en el siglo ~ antes de Cristo se conocía la ley de reflexión sobre los espejos o sobre la superficie del agua y también el arte de la perspectiva, basada en la propagación rectilínea de la luz. Se construían lentes de cristal para concentrar los rayos del sol, provocando altas temperaturas. La refracción o quiebre de la luz al pasar del aire a un cristal era también conocida, pero no existían los conocimientos matemáticos suficientes para llegar a interpretarla correctamente.

    Recién hacia 1600 se lograron fabricar lentes de cristal de buena calidad y mediante combinaciones apropiadas, microscopios y anteojos astronómicos. En esa época se comenzó a buscar intensamente una explicación para el fenómeno de la propagación de la luz y en pocos años fueron propuestas varias teorías. Algunas imágenes fáciles de observar, sugieren el concepto de los "rayos de luz". Ocurre a menudo que la luz del sol penetra entre las nubes y se observan haces de luz que se destacan un poco más claros. Lo mismo sucede en un bosque; la luz del sol se refleja en el rocío o en la humedad del ambiente y se observan haces de luz que pasan entre los árboles. En forma similar, en las habitaciones cuando la luz del sol se refleja en las partículas de polvo al penetrar por una ventana, se observan haces claramente destacados. De acuerdo a estas experiencias simples, la primera teoría de la luz, llamada de emisión, proponía que los cuerpos luminosos emiten corpúsculos materiales extraordinariamente péquenos que se desplazan en línea recta a una velocidad muy alta y gracias a una cierta elasticidad rebotan en los objetos. Los corpúsculos que penetran en nuestros ojos, nos transmiten la imagen de los objetos y podemos ver. En la edad media predomino esta versión que fue generalmente aceptada y con algunas modificaciones sigue teniendo valor. Se le denomina "Teoría corpuscular de la luz".

    Hacia 1700 se conocían las siguientes propiedades de la luz:

La transmisión en línea recta

    Numerosas experiencias han demostrado que la imagen de los objetos se transmite en línea recta, sin desviarse.

La reflexión

    La luz de un haz o rayo luminoso que incide sobre una superficie pulida es reflejada, por ejemplo en un espejo. El ángulo de reflexión es siempre idéntico al de incidencia.

    La representación gráfica usual, muestra un solo rayo de luz, que se refleja formando el mismo ángulo que el rayo incidente. Esta descripción gráfica se ha simplificado en forma exagerada y no representa adecuadamente la realidad. En la naturaleza no se producen "rayos de luz", sino haces de luz, que poseen una cierta dimensión. Al lado derecho se representa un hez de luz y se puede observar que el haz incidente se cruza con el haz reflejado. Si la luz consiste en pequeñísimos corpúsculos, no se producen choques entre los corpúsculos incidentes y reflejados, puesto que una imagen contemplada directamente se puede observar con la misma nitidez que reflejada en un espejo. Si la luz consiste en ondas hay que suponer también que la interacción de la luz incidente sobre la reflejada es insignificante.

La refracción o quiebre

    Si la luz incide sobre el agua, el vidrio u otro cuerpo transparente, se desvía en la superficie en un cierto ángulo .

    Un lápiz o una varilla introducidos en el agua aparecen como quebrados.

    La desviación real se puede representar mediante la formula

    Este valor constante depende del medio o materiales que la luz atraviesa y se puede obtener solo a través de mediciones prácticas. Al salir del material el haz toma nuevamente la dirección original.

La dispersión o separación de los colores

    Se había descubierto que al hacer pasar la luz por un prisma de cristal se descompone en diferentes colores. No se sabía aún si la separación o dispersión de la luz era una propiedad del prisma de cristal o de la luz misma. Newton comenzó con el estudio sistemático de este fenómeno. Constató que el ángulo de desviación era siempre el mismo para cada color y que si los colores se hacen pasar por un segundo prisma no se vuelven a separar. Si los rayos se proyectan superpuestos sobre una pantalla, se obtiene nuevamente luz natural incolora.

    La luz natural es una mezcla muy compleja de diversas componentes y al atravesar el prisma se separan. La luz azul se desplaza más que la luz roja.

La difracción o desviación

    Al pasar por un orificio o ranura de dimensiones muy reducidas, la luz se desvía. Lo mismo ocurre al pasar cerca de un objeto pequeño.

    Esta desviación es muy pequeña y se pudo constatar solo mediante luz coherente, es decir mediante un solo tipo de luz, emitida por un material puro, por ejemplo luz de sodio incandescente, que sobre una pantalla produce franjes oscuras y claras.

La aparición de colores al atravesar láminas transparentes muy finas

    Es muy fácil crear láminas de agua jabonosa muy finas y observar las zonas de colores intensos que se producen con toda nitidez. Newton estudió este fenómeno en forma científica y también haciendo pasar la luz a través de un lente ligeramente convexo' apoyado sobre una placa de vidrio plano. Entre el lente y la placa queda un espacio libre que representa una lámina de aire de espesor variable y aparecen franjas en forma de anillo que se pueden estudiar con toda precisión.

La refracción doble en el calspato de Islandia

    En el agua y en todos los materiales transparentes se habla observado que un rayo de luz, que penetra perpendicularmente a la superficie, no se desvía y sigue su camino sin distorsión. Un rayo que penetra en forma inclinada se desvía.

    En el calspato de Islandia un rayo de luz que penetra perpendicularmente a la superficie se desvía y un rayo que penetra en forma inclinada se descompone en dos, uno que sigue las reglas conocidas para los otros cristales y un rayo adicional con propiedades diferentes. Todos los objetos observados a través del calspato de Islandia se ven dobles.

    En aquella época, Newton publicó su obra denominada "Óptica", en la cual justificaba "La teoría corpuscular de la luz":

- Los cuerpos luminosos emiten pequeñísimos corpúsculos materiales que se desplazan a gran velocidad. - A través de choques elásticos se produciría la reflexión de la luz. En los espejos o superficies muy pulidos, las partículas de luz rebotan en forma paralela y se sigue viendo una imagen ordenada. - La refracción (desviación de la luz al pasar del aire al agua o al vidrio) se produciría por fuerzas de gravitación entre los corpúsculos de la luz y los átomos de la materia. -

    Para explicar la dispersión (separación de los colores en un prisma) se hacia necesario hacer nuevas suposiciones y se admitió que los corpúsculos tendrían distintos tamaños para cada color y en el prisma serian atraídos con mayor o menor fuerza provocando la separación de los colores. Dado su prestigio obtenido con la ley de gravitación, su teoría corpuscular fue aceptada.

    Paralelamente, se habla desarrollado otra teoría. Observando que las ondas en el agua se cruzan unas con otras y siguen su camino sin distorsión, se llego a pensar, que la luz podría estar constituida también por ondas en un medio y no por partículas. Primero fue Descartes (1596-1650), matemático y filósofo francés, quien supuso que el espacio estaría formado por una materia compuesta de pequeñísimas esferas sólidas. Los cuerpos luminosos provocarían torbellinos en ese medio cuyos movimientos se trasmitirían a gran velocidad hasta nuestros ojos. Para explicar los distintos colores propuso además que las esferas adquieren una determinada rotación para cada color. Poco después, el físico holandés Huygens (1628-1695) publicó su "Tratado de la luz" en el cual supone que tanto el espacio como la materia estarían saturados por una sustancia muy tenue que se denominó éter. En este éter' la luz se transmitiría como una vibración al igual que las ondas en el agua y el sonido en el aire. Estas ideas representaron la otra gran alternativa: la luz sería la vibración de un medio, llamada "Teoría ondulatoria de la luz''. El físico suizo Euler (1707-1733) y el físico inglés Young (1773-1829) establecieron los principios básicos de la teoría ondulatoria de la luz en forma muy simple, que fue comprobada posteriormente por todas las observaciones y experiencias. Más tarde cupo a Huygens el planteamiento definitivo de esta teoría:

"Las moléculas de los cuerpos luminosos están animadas de un movimiento vibratorio muy rápido. Este movimiento se transmite al espacio y se propaga como ondas en un medio etéreo."

    Las vibraciones de ese medio etéreo se transmiten en forma de frentes de onda en todas direcciones con una cierta velocidad hasta alcanzar nuestros ojos, provocando también una vibración que se traduce en una reacción química o eléctrica que nos da la sensación de ver. Sobre el film de una máquina fotográfica se produce una reacción química que hace ennegrecer las sales de plata contenidas en él. Mediante la teoría ondulatoria resultaba muy fácil explicar los distintos colores suponiendo simplemente distintas longitudes de onda para cada color. La difracción o quiebre de la luz se produciría debido a una menor velocidad de los frentes de onda en el interior de la materia.

    Ese éter existiría entonces en todo el espacio, en el agua, en los cristales y en todo lugar alrededor de la tierra, alrededor del sol y en el espacio interestelar, permitiendo la transmisión de la luz de las estrellas, del sol y sobre la tierra.

    Las distintas teorías y sus respectivos autores fueron sustentados y criticados mutuamente.

    Newton mencionaba que los planetas no encuentran ninguna resistencia a su movimiento alrededor del sol para negar la existencia del éter en el espacio, que al igual que el aire, debería frenar el movimiento. Sus enemigos a su vez mencionaban que si la luz consiste en corpúsculos materiales! el espacio estaría de todas maneras saturado de esa materia. Algunos corpúsculos viniendo del sol y de las estrellas, otros ya reflejados en los planetas en todas direcciones, durante miles de años, constituirían también un medio muy denso que igualmente se opondría al movimiento de los planetas.

    En los lentes, por ejemplo en una lupa, se pudo comprobar que los rayos de luz se cruzan en un punto, llamado foco del lente y mientras mejor se pule el lente, el punto focal se reduce y la imagen se hace cada vez más nítida, en lugar de producirse una distorsión debido a los choques de los corpúsculos luminosos entre Sí. También se mencionaba el hacho que dos haces de luz que se transmiten en sentido contrario no se interfieren, para poner en duda la teoría corpuscular de la luz. Se había observado que las ondas que se propagan en el agua, se cruzan y se superponen manteniendo su dirección y su forma. También el sonido en el aire se transmite en direcciones contrarias aparentemente sin distorsión.

    Se planteaba entonces la pregunta siguiente, aún más profunda.

La luz, ¿ Corpúsculos u ondas ?

    Todos los materiales pueden llegar a emitir luz, cuando se logra aumentar suficientemente su temperatura. La mayor parte de los minerales necesitan una temperatura de unos 1000 grados y algunas materias como los minerales fluorescentes emiten luz ya a la temperatura ordinaria. Se ha podido constatar que la cantidad de luz que emite un metal fundido, depende solo de la superficie, no de la profundidad del material. La luz emitida se propaga entonces desde cada átomo de la superficie de un cuerpo incandescente en todas direcciones. Para definir la unidad de luminosidad, se ha elegido la cantidad de luz que emite un cm2 de plata fundida.

    En el caso de la luz que nos llega desde el sol o desde las estrellas, hay que considerar que cada partícula de materia en la superficie emite luz, estas señales, sean corpúsculos o vibraciones se suman, forman grupos que a su vez se vuelven a sumar innumerables veces, en forma muy desordenada, tomando mayor fuerza que les permite finalmente recorrer distancias enormes.

    Si observamos las estrellas a simple vista, podemos constatar que nuestros ojos, pequeñísimos receptores de luz, captan la imagen de las estrellas en forma muy regular. Si nos desplazamos en la tierra, la que a su vez gira alrededor del sol a una velocidad enorme, seguimos recibiendo la imagen perfecta de la estrella. Podemos afirmar que en todo punto del universo se capta la luz de las estrellas en forma muy ordenada.

    Si aceptamos la existencia de un medio, la onda que emite cada corpúsculo se suma con las ondas de los corpúsculos vecinos, estos grupos se suman a su vez muchas veces, aumentando la fuerza de las ondas que se desplazan en todo sentido. Si por el contrario, aceptamos la teoría corpuscular, cada partícula del sol emitiría corpúsculos de luz a una velocidad enorme, pero idéntica. Los corpúsculos de varias partículas vecinas se suman formando nubes de partículas cada vez más densas. A medida que aumenta la distancia desde el sol, aumenta la separación entre las distintas direcciones y la densidad de partículas disminuye, de modo que después de recorrer grandes distancias, aún quedan suficientes partículas para ser captadas por nuestros ojos o por una placa fotográfica.

    Veamos una situación similar más simple: Supongamos que una persona se sitúa en un parque bastante grande y lee continuamente en voz alta las letras del alfabeto cada 5 segundos. Las personas situadas en cualquier parte del parque pueden escuchar, también cada 5 segundos, la voz del lector. medida que aumenta la distancia, la voz se percibe cada vez más débil y si se quiere reforzar el sonido se pueden disponer dos lectores que lean las letras simultáneamente, la voz de ambas se sumará y alcanzara una distancia más grande. Basta admitir que la velocidad del sonido en el aire sea siempre idéntica, de modo que si los lectores pronuncian las letras simultáneamente, ambas ondas viajarán a una velocidad idéntica y se mantendrán simultáneas. La voz se seguirá escuchando en cualquier punto del parque, incluso en una posición elevada, o detrás de un obstáculo. Se tiene un sistema absolutamente ordenado de ondas en un medio, en este ceso de ondas sonoras en el aire, que se transmiten al medio por la vibración de la voz del lector.

    En cambio, si se piensa que el lector en lugar de leer las letras, emite esferas o corpúsculos para transmitir la información, aparecen nuevas complicaciones. Antiguamente se pensaba en esferas de distintos tamaños o tipos, para poder transmitir distintas informaciones. Habría que pensar, en ese caso, en partículas de distinto tipo para cada letra' número y sonido. Si la información se quiere transmitir mediante corpúsculos no hay posibilidad de sumar la voz de ambas personas, salvo que la velocidad con que ambas emiten los corpúsculos sea absolutamente idéntica. Nos vemos obligados a admitir que todas las personas poseen la virtud de poder variar rápidamente la cantidad de corpúsculos producidos, manteniendo siempre idéntica la velocidad con que los emiten. Esta situación es muy artificial, no se acepta para el sonido en el aire y se adopta la teoría ondulatoria. En todo caso, para la transmisión de la luz aceptemos aún las dos alternativas:

Teoría corpuscular

    Las señales se transmiten gracias a conjuntos de corpúsculos que son emitidos por cada partícula y que avanzan con velocidad idéntica.

Teoría ondulatoria

    Existe un medio sin movimiento que transmite las ondas con una cierta velocidad típica, constante. Para las ondas conocidas, tanto en el aire como en el agua, se adopta la teoría ondulatoria. Para la luz no se ha podido decidir hasta ahora por una de estas dos alternativas fundamentales y según los fenómenos se emplea la una o la otra. Situación insostenible que se ha tratado de resolver en numerosos y variados intentos.

    Existía un hecho científico que podía decidir por una de ambas teorías. Si se acepta la teoría corpuscular, la luz en un medio material tendría más velocidad que en el espacio, ya que es atraída hacia ese medio provocando una ligera aceleración, al salir de él seria nuevamente frenada, con lo cual la luz tomaría nuevamente su velocidad característica.

    La teoría ondulatoria, por el contrario, exige que para se produzca la desviación, es necesario que la velocidad en el medio sea menor que en el espacio, lo que más tarde fue efectivamente comprobado y dio un gran apoyo a esta teoría.

    La luz, al contrario que el sonido, parece transmitirse en forma instantánea, pero sea una onda en un medio o la propagación de corpúsculos, debería tener una cierta velocidad determinada. En la observaciones astronómicas se busco la confirmación a este planteamiento. Se necesitaron sin embargo, muchos años de experiencia antes de poder comprobar mediante medidas astronómicas muy refinadas que la luz tenia efectivamente una cierta velocidad y no se transmitía en forma instantánea.

    La búsqueda del medio en el que se transmite la luz y las experiencias posteriores no han traído claridad sino complicaciones. Si se quiere hoy en día saber cual es la naturaleza de la luz, no se encuentra unanimidad entre los autores de textos especializados.

    Usualmente se recurre a diferentes teorías para explicar los distintos fenómenos:

    Para describir los fenómenos de Óptica, se adapta la teoría ondulatoria y se aceptan diferentes velocidades para la luz.

"La luz es una onda que se propaga en los materiales transparentes con distintas velocidades.''

    Un rayo de luz que pasa en forma oblicua desde un medio a otro más denso, disminuye su velocidad y en el pequeño intervalo de tiempo en que penetra completamente en el otro material se desvía. Esta explicación sigue siendo empleada y es totalmente aceptada.

    Para los cálculos de la física nuclear y de acuerdo a los resultados de distintas experiencias, se emplea otro tipo de definición que es una mezcla de las teorías ondulatoria y corpuscular.

''La luz está compuesta de fotones, elementos corpusculares sin materia y con características de onda".

    Para explicar la transmisión de la luz desde el sol o desde las estrellas en un espacio absolutamente vacío no son suficientes las explicaciones anteriores y se ha adoptado una teoría ondulatoria, pero sin aceptar un medio que transporte la onda. Sin mayores razones científicas, se supone que la onda se sustenta en si misma.

"La luz es una onda electromagnética que avanza sustentada en si misma a una velocidad absolutamente constante para cualquier observador"

    Para salir de esta situación ambigua, se hace necesario revisar todos los fenómenos, obtener conclusiones básicas y mediante la introducción de nuevos conceptos, buscar una solución que respete cada una de las verdades físicas y las explique en forma lógica.

Historia
   Definición: f. Narración y exposición de los acontecimientos pasados y dignos de memoria, sean públicos o privados.
  En pocas palabras, historia de las matemáticas, biografías, galería de genios, etc.

Índice Isaac Newton

Introducción

Isaac Newton

Newton y las Matemáticas

Teorías del Sistema Solar

Kepler

La mecánica celeste

El estudio de la luz

Europa en los siglos
XVII y XVIII

El racionalismo

Inglaterra en siglo XVII

Bibliografía

Material de

Material de  Mauricio Vega

Domingo, 25 / 08 / 2019
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