¿Que es la luz?

Para la mayoría de las personas, la luz es algo tan natural y cotidiano que perdemos conciencia de su existencia. Estamos muy acostumbrados a despertar, abrir los ojos y mirar todo el entorno hasta volver a cerrar los ojos. Casi nunca pensamos que, en realidad, lo que vemos es luz reflejada (o bien luz producida) por los objetos, luz que llega a nuestros ojos. De lo contrario simplemente no podríamos ver.

¿Cómo llega la luz a nuestros ojos? ¿Cómo se propaga? o más aún, ¿qué es la luz?. Muchas personas se lo han preguntado, sin embargo fue hasta el siglo XVII, con Sir Isaac Newton, que se inició un estudio formal de la luz. Él consideraba a la luz como un conjunto de bolitas (corpúsculos) con masa que dependía del color. Así, Newton pudo explicar ciertos fenómenos como la descomposición de la luz blanca y el cambio en la dirección de la luz al pasar por diferentes medios (como el aire y el agua). La gente de esos días no gustaba de estas ideas, pues no empataba con su sentido común. Después de todo, nadie había visto que de una vela encendida salieran bolitas luminosas. En esta misma época surgió otra interpretación de la luz, la ondulatoria, propuesta por Christiaan Huygens. Esta idea fue más aceptada porque explicaba de una forma más natural el comportamiento de la luz. De esta manera se consideraba a la luz como un rayo con propiedades ondulatorias iguales a las ondas en la superficie del agua. Esta teoría se popularizó al ser base de la explicación para muchos fenómenos como la interferencia y difracción, fenómenos que ya se conocían en las ondas y que la teoría corpuscular (teoría de Newton) no podía explicar. El formalismo matemático que concluyó el estudio de la luz en su interpretación ondulatoria, lo dio el físico escocés James Clerk Maxwell en un artículo publicado en 1873. En este artículo, Maxwell coloca a la luz visible (la que podemos ver con nuestros ojos) dentro del gran conjunto de ondas, las ondas electromagnéticas. Para entonces, dados los experimentos realizados, los problemas del comportamiento de la luz y su naturaleza estaban totalmente resueltos: la luz tiene una parte eléctrica y otra magnética, y se comporta como una onda de acuerdo a las leyes de Maxwell. Sin embargo, el éxito de la interpretación ondulatoria de la luz no duró mucho tiempo.


A finales del siglo XIX, surgió un experimento que revolucionó la forma de pensar la luz. Gracias a diversos experimentos, se sabía que la luz era una forma de energía, y si se hacía incidir sobre algo, ésta le cedería energía a ese algo. Por ejemplo, si se hacía incidir sobre una placa metálica, se sabía que la energía de la luz cedería su energía principalmente a los electrones hasta desprenderlos de la placa. Como es muy natural pensar, entre más luz se incida sobre la placa, más energía se cede y más electrones se desprenden de la placa. Este experimento se realizó y, para sorpresa de todos, la cantidad de electrones que se desprendían de la placa, tenían un límite. Es decir, había un punto en el que a pesar de incrementar la intensidad de la luz, ya no se desprendían más electrones. La sorpresa fue aún mayor cuando se dieron cuenta de que este límite cambiaba si se hacía incidir luz de otro color sobre la placa. Lo que estaba diciendo la naturaleza es que la energía absorbida por los electrones no dependía tanto de la intensidad de la luz como del color. Esto se conoce como el efecto fotoeléctrico, y fue resuelto por Albert Einstein en 1905 (razón por la cuál obtuvo el premio Nobel en 1921), basado en ideas que Max Planck propuso en 1901. La solución de este problema se basa en el hecho de que la energía, en muy pequeñas escalas, se cede y se absorbe en cantidades fijas y bien determinadas. Es decir, no se puede ceder ni absorber cualquier cantidad de energía, sino sólo múltiplos de un mínimo al que se le llama “cuanto” de energía.


Más tarde, en 1925 Louis de Broglie propuso que las partículas podían tener propiedades de onda y viceversa. Esta idea revolucionó la concepción de partícula y onda, pues ahora parecían ser lo mismo. De ser así, la luz, a la que se había aceptado como una onda y se le habían comprobado experimentalmente propiedades ondulatorias, podía ser un conjunto de partículas. De un momento a otro, resurgía la interpretación que Newton le daba a la luz. Para desgracia del mundo científico, las ideas novedosas derivadas de la física cuántica, no se podían comprobar tan fácil, pues sólo se manifestaban claramente en escalas tan pequeñas como la de los electrones, y en esos días no se tenía el equipo necesario para hacer los experimentos a esta escala.

*Facultad de ciencias de la Universidad Nacional Autónoma de México.

Descomposición de la luz

La naturaleza de la luz ha fascinado siempre a los científicos. Newton, el científico más creativo y completo que ha dado la Historia, no escapó a esa fascinación. En 1667 presentó ante la Royal Society su experimento sobre la descomposición de la luz solar.

En aquella época dominaba la idea de Descartes de que la luz estaba compuesta por pequeños corpúsculos. Los colores eran la mezcla de luz y oscuridad, en distintas proporciones. Antes que Newton, Descartes ya intentó descomponer la luz, pero sólo logró obtener los colores rojo y azul.

Newton empleó un par de prismas de vidrio que, por entonces, eran populares como juguetes infantiles. Así que fue un experimento muy barato. Preparó una estancia en total oscuridad. Sólo a través de un agujero en la ventana entraba un rayo de luz solar. Colocó el prisma delante del rayo de luz, de modo que lo atravesara y reflejara la luz en la pared opuesta, a 7 metros de distancia. En la pared aparecían los colores del arco iris de forma alargada, uno sobre otro.

Cabían dos posibilidades. O bien el prisma daba color a la luz, o la luz era la mezcla de todos los colores y el prisma se limitaba a descomponerla. Para comprobarlo, utilizó el segundo prisma. Tras la luz descompuesta en colores colocó otra pantalla con un agujero, a unos 3 metros. Por este agujero fue haciendo pasar los colores de uno en uno. De modo que, detrás de la pantalla, sólo podía verse el color elegido. Por ejemplo, el rojo. Una vez aislado un color, lo hacía pasar a través del segundo prisma y lo reflejaba en otra pared.

Comprobó que ahora sólo cambiaba el ángulo, pero no el color. Es decir, si habíamos aislado el rojo, al atravesar el segundo prisma seguía saliendo rojo. Y así con todos los colores. Dedujo que los colores del arco iris eran colores puros, mientras que la luz blanca era la mezcla de todos ellos. El prisma no añadía ninguna cualidad a la luz, sino que la descomponía. Al proyectar los colores y juntarlos de nuevo, la luz volvía a ser blanca.

El experimento causó sensación en la Royal Society. Newton logró descomponer la luz solar, pero siguió sin saber porqué. Entonces aún no se conocía la naturaleza ondulatoria de la luz. Los colores son ondas, y cada color tiene una longitud de onda diferente. Las longitudes de onda son más largas cuanto más se acercan al rojo, y más cortas hacia el violeta. Cuando la luz blanca entra en el prisma, cada color toma un camino distinto y lo atraviesa a distinta velocidad. Salen reflejados con distinto ángulo. Por eso los colores se separan y se ven en la pared de forma alargada uno sobre otro, y no circular.

Es el mismo proceso que forma el arco iris. Las gotas de agua actúan como el prisma. La luz solar se refleja en la cara interna de las gotas de lluvia y se descompone en colores. Una curiosidad: Newton estableció que la luz blanca se descomponía en siete colores. Podría haber dicho seis u otra cifra (¿qué clase de color es el añil?). Se debe al peso de la tradición griega en nuestra cultura europea, donde el número siete es fundamental. De ahí que se repita tanto, incluso en los cuentos infantiles de tradición europea. Es la misma razón que llevó a Pitágoras a fijar en siete las notas musicales.

Como percibimos los colores.

En la especie humana y en muchos otros primates, existen tres tipos diferentes de células fotosensibles llamadas conos cada uno de ellos es sensible de forma selectiva a la luz de una longitud de onda determinada, verde, roja y azul. Esta sensibilidad especifica se debe a la presencia de unas sustancias llamadas opsinas. La eritropsina tiene mayor sensibilidad para las longitudes de onda largas de alrededor de 650 nanómetros (luz roja), la cloropsina para longitudes de onda medias de unos 530 nanómetros (luz verde) y por último la cianopsina con mayor sensibilidad para las longitudes de onda pequeñas de unos 430 nanómetros (luz azul). El cerebro interpreta los colores a partir de la razón de estimulación de los tres tipos de conos. 





Los conos de la curva de sensibilidad espectral de longitud de onda mediana («M») coinciden con los de las longitudes de onda corta («S») y larga («L»). La luz de cualquier longitud de onda que interactúa con los conos M también pueden interactuar con los conos S y L, o ambos, hasta cierto punto. Por lo tanto, no existe una longitud de onda, y no hay distribución espectral de energía no negativa, que excite sólamente conos M sin excitar los conos S o L. La excitación hipotética del cono M solo correspondería a un color verdoso imaginario que cualquier verde físico, correspondiendo a un distribución espectral de energía con un poder positivo en la longitud de onda (media) y poder negativo (no físico) del verde en las las longitudes de onda rojo y azul (largo y corto). 


En pocas palabras: no existe una longitud de onda o estímulo físico capaz de excitar un solo cono sin excitar los otros dos. 

El diagrama de color CIE 1931. Las regiones blancas corresponden a los colores imaginarios. 

percepción de colores imaginarios

Si un verde saturado se mira hasta que los receptores verdes se fatigan y luego se mira un rojo saturado entonces se experimenta la visión de un rojo aún más intenso que cualquier rojo puro que pueda percibirse. Esto es debido a la fatiga de los receptores verdes y su consiguiente falta de capacidad para desaturar la respuesta perceptiva de la salida de los receptores de color rojo. 




Experimento: "El eclipse de Titán" o de cómo luce el verdadero color cyan 


Vamos a poner en práctica lo dicho en el párrafo anterior, amplia la imagen, mira fijamente el punto blanco del círculo rojo por más de dos minutos, puedes parpadear, respirar, pero no le quites los ojos de encima al punto blanco ni muevas la cabeza, empezarás a notar que el circulo empieza a tener una especie de brillo en el borde, espera un poco más... y mueve la cabeza hacia atrás lentamente. 

Vas a poder ver un círculo color Cyan con una saturación y profundidad que ni el más sofisticado monitor puede reproducir, y por cierto tus ojos tampoco pueden verlo en condiciones normales. 

El gradiente junto al círculo no hace parte del efecto, es sólo para mostrarte que el color producido por la ilusión no está en ningun lado dentro de la paleta de colores que puede mostrar tu monitor. 

Más Experimentos:

Sigue las mismas reglas del anterior. 

Beakman - Porqué es azul el cielo?

Espectro Electromagnetico

Se denomina espectro Electromagnético a la distribución energética del conjunto de ondas electromagnéticas. Se extiende desde la radiación de menor longitud de onda, como los rayos Gamma y los Rayos X, pasando por la luz ultravioleta, la luz visible y los rayos infrarrojos, hasta las ondas electromagnéticas de mayor longitud, como las ondas de radio.

Infrarrojo:

Las ondas infrarrojas están en el rango de 0,7 a 100 micrómetros. la radiación infrarroja se asocia generalmente con el calor. estas son producidas por cuerpos que generen calor.

Espectro visible:

Por encima de la frecuencia de las radiaciones infrarrojas se encuentra lo que comúnmente es llamado luz, u tipo especial de radiación electromagnética que tiene una longitud de onda intervalo de 0,4 a 0,8 micrómetros. La luz puede usarse para diferentes tipos de comunicaciones. las ondas de luz pueden modularse y transmitirse a través de fibras ópticas, lu que presenta una ventaja pies con su alta frecuencia es capaz de llevar mas información.

Ultravioleta:

La luz ultravioleta cubre un intervalo de 4 a 400 nm. El sol es una importante emisora de rayos de esta frecuencia , los cuales causan cáncer de piel a exposiciones prolongadas. 
Sus aplicaciones principalmente son en el campo de la medicina.

Rayos X

Es una radiación electromagnética invisible capaz de atravesar cuerpos opacos y de impresionar las películas fotográficas.
La longitud de la onda es de 10 a 0,1 nanómetros.

Rayos Gamma:

Es un tipo de radiación electromagnética producida generalmente por radiactivos o procesos subatómicos. Este tipo de radiación de tal magnitud también es producida por fenómenos atrofísicos y de gran violencia.
Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta. dad su alta energía pueden causar grave daño al núcleo de las células, por lo que son usados para esterilizar equipos médicos y alimentos.

Reflexión y Refracción.

Cuando una onda alcanza la superficie de separación de dos medios de distinta naturaleza se producen, en general, dos nuevas ondas, una que retrocede hacia el medio de partida y otra que atraviesa la superficie límite y se propaga en el segundo medio. El primer fenómeno se denomina reflexión y el segundo recibe el nombre de refracción.

Reflexión:

Al igual que la reflexión de las ondas sonoras, la reflexión luminosa es un fenómeno en virtud del cual la luz al incidir sobre la superficie de los cuerpos cambia de dirección, invirtiéndose el sentido de su propagación.

La visión de los objetos se lleva a cabo precisamente gracias al fenómeno de la reflexión. Un objeto cualquiera, a menos que no sea una fuente en sí mismo, permanecerá invisible en tanto no sea iluminado. Los rayos luminosos que provienen de la fuente se reflejan en la superficie del objeto y revelan al observador los detalles de su forma y su tamaño.

De acuerdo con las características de la superficie reflectora, la reflexión luminosa puede ser regular o difusa. La reflexión regular tiene lugar cuando la superficie es perfectamente lisa. Un espejo o una lámina metálica pulimentada reflejan ordenadamente un haz de rayos conservando la forma del haz. La reflexión difusa se da sobre los cuerpos de superficies más o menos rugosas.

En ellas un haz paralelo, al reflejarse, se dispersa orientándose los rayos en direcciones diferentes. Ésta es la razón por la que un espejo es capaz de reflejar la imagen de otro objeto en tanto que una piedra, por ejemplo, sólo refleja su propia imagen.

Sobre la base de las observaciones antiguas se establecieron las leyes que rigen el comportamiento de la luz en la reflexión regular o especular. Se denominan genéricamente leyes de la reflexión.

Si S es una superficie especular (representada por una línea recta rayada del lado en que no existe la reflexión), se denomina rayo incidente al que llega a S, rayo reflejado al que emerge de ella como resultado de la reflexión y punto de incidencia O al punto de corte del rayo incidente con la superficie S. La recta N, perpendicular a S por el punto de incidencia, se denomina normal.

Refracción:

Se denomina refracción luminosa al cambio que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando atraviesa oblicuamente la superficie de separación de dos medios transparentes de distinta naturaleza. Las lentes, las máquinas fotográficas, el ojo humano y, en general, la mayor parte de los instrumentos ópticos basan su funcionamiento en este fenómeno óptico.

El fenómeno de la refracción va, en general, acompañado de una reflexión, más o menos débil, producida en la superficie que limita los dos medios transparentes. El haz, al llegar a esa superficie límite, en parte se refleja y en parte se refracta, lo cual implica que los haces reflejado y refractado tendrán menos intensidad luminosa que el rayo incidente. Dicho reparto de intensidad se produce en una proporción que depende de las características de los medios en contacto y del ángulo de incidencia respecto de la superficie límite. A pesar de esta circunstancia, es posible fijar la atención únicamente en el fenómeno de la refracción para analizar sus características.

Experimento de luz y óptica - Beakman