¿Onda o partícula? La naturaleza de la luz

Las discusiones acerca de su origen y naturaleza se remontan hasta los griegos. ¿Qué sabemos acerca de la luz? Un físico mexicano explica.

Aunque las opiniones acerca del tema divergían, todos estaban de acuerdo en algunas propiedades de la luz como el hecho de que se mueve en línea recta y que por lo tanto, pueden utilizarse argumentos geométricos para describir su trayectoria. Este entendimiento se extendió durante el final del primer milenio por filósofos en el mundo islámico. Sus experimentos y deducciones dieron lugar al desarrollo de elementos ópticos como lentes y reflectores para enfocar la luz y magnificar imágenes. Sin embargo, una pregunta que recibió un enfoque menor fue la de la composición de la luz.

¿Qué podemos decir acerca de la naturaleza y la estructura de la luz? Esta pregunta ha recibido distintas respuestas a lo largo de la historia del pensamiento humano y se ha tenido que actualizar en varias ocasiones.

Dos teorías sobre la luz

Entre los siglos XVII y XVIII la pregunta de la naturaleza de la luz creó un debate intenso entre dos puntos de vista. Uno de ellos lo encabezó el físico inglés Isaac Newton quién sostenía que la luz está compuesta por corpúsculos. Sus argumentos desarrollados en el libro Opticks se derivan de una serie de observaciones entre las que destacan: las sombras tienen contornos bien definidos y un prisma descompone un haz de luz blanca en una serie de colores.

Newton llega a la conclusión que la luz debe de estar formada por partículas pequeñas cuyo tamaño preciso está ligado a su color. Además concluye que estas partículas interactúan con los componentes de la materia a través de fuerzas físicas como la gravitacional para dar lugar a distintos fenómenos:

¿No son los rayos de luz pequeños cuerpos emitidos por sustancias brillantes? Pues dichos cuerpos pasarán a través de medios uniformes en líneas rectas, sin doblarse hacia la sombra, cual es la naturaleza de los rayos de luz. Las sustancias traslúcidas actúan sobre los rayos de luz a distancia al refractarlos, reflejarlos e inflexionarlos, y los rayos agitan mutuamente las partes de esas sustancias a distancia para calentarlas; y esta acción y reacción a distancia se asemeja mucho a la fuerza atractiva entre cuerpos”
Isaac Newton
Light dispersion conceptual waves

En la otra esquina de este debate ideológico se encontraba Christiaan Huygens. Su postura, contraria a la teoría de Newton, ponía a la luz como una onda. El físico holandés había utlizado la teoría ondulatoria de la luz para explicar un efecto óptico conocido como birrefringencia. Este efecto hace que un haz de luz que se propaga por ciertos materiales como la calcita, se divida en dos.

El consenso de la comunidad científica respaldó la idea de Newton y se mantuvo la idea de que la luz está formada por pequeñas partículas cuyo tamaño determina el color de la luz que forman.

La luz como onda

Tuvieron que pasar casi 100 años antes de que el entendimiento colectivo de la naturaleza de la luz cambiara de forma radical. En 1801 Thomas Young demostró, mediante uno de los experimentos más famosos en la historia de la física, que al pasar por dos pequeñas rendijas, la luz puede interferir consigo misma como solamente una onda lo haría. A partir de ahí se estableció que la luz no está compuesta de partículas sino que es una onda.

Años más tarde esta idea se desarrolló indicando que la luz es una onda electromagnética que oscila de manera transversal a su dirección de propagación. Esta descripción explica los fenómenos ópticos como la reflección, la refracción y la birrefringencia. Todos estos fenómenos resultan de las interacciones electromagnéticas entre la luz y la materia.

La luz como partícula

El inicio del siglo XX trajo consigo grandes cambios en nuestra manera de entender y describir al universo: la naturaleza de la luz una vez más se convirtió en un tema central en círculos científicos.

Todos los objetos emiten luz al calentarse: un horno, un foco eléctrico y hasta nuestro Sol. Para describir esto, el físico alemán Max Planck introdujo un truco matemático en sus ecuaciones termodinámicas. Con el, Planck implicaba que las luz puede incrementar o reducir su energía únicamente en cantidades fijas, como si esta energía se intercambiara en forma de partículas.

En 1905 Albert Einstein se enfocó en tomar con seriedad el truco matemático de Planck. Einstein propuso que la luz puede ser emitida y absorbida únicamente en cantidades discretas, de manera consistente con una descripción corpuscular de la luz. Utilizó este postulado para explicar el fenómeno fotoeléctrico, en el cual un material metálico puede emitir electrones al ser iluminado.

La dependencia de la cantidad y la energía de estos electrones es perfectamente consistente con la idea de que la luz está compuesta de pequeños paquetes de energía. La cantidad de energía de cada partícula de luz depende directamente de su frecuencia, es decir su color. Asimismo, la intensidad de un haz de luz se da por la cantidad de partículas de luz que contiene.

Einstein y el premio Nobel

Planck introdujo el aparato matemático que dio lugar a este resultado, pero no creía que la luz en verdad estaba formada por partículas. Cuando escribió una recomendación para admitir a Einstein a la Academia Prusiana de las Ciencias, incluyó un comentario en el que trataba de defender la creatividad del joven Einstein aunque en ocasiones diera lugar a especulaciones desmedidas como en el caso de las partículas de luz.

La postura de Planck era común dentro de la comunidad científica desde 1905, cuando Einstein publicó sus resultados, y por lo menos hasta 1913 cuando escribió esta carta de recomendación. Sin embargo, en 1922 Albert Einstein recibió el Premio Nobel de Física y aunque hoy en día se le conoce principalmente por su teoría de la relatividad, en la descripción de su premio únicamente se menciona de manera específica su contribución al llamado fenómeno fotoeléctrico. Este fue uno de los primeros conceptos que más adelante se desarrollarían para generar la teoría cuántica, con la que Einstein nunca estuvo completamente de acuerdo.

Alrededor de otros cien años más tarde, nos encontramos en el siglo XXI y podemos volver a preguntarnos:

¿La luz es una onda o una partícula?

Por un lado tenemos evidencia experimental de que la luz muestra efectos de interferencia como una onda pero por otro lado sabemos que interactúa con la materia como si fuera una colección de partículas energéticas. Hoy en día nuestra percepción de la naturaleza de la luz es un poco más compleja que una onda o una partícula. Gracias al desarrollo de la teoría cuántica, que hasta el día de hoy es el modelo más preciso que hemos desarrollado para describir la naturaleza, podemos describir la luz como un objeto que tiene propiedades tanto de ondas como de partículas.

A esta descripción le llamamos función de onda y es lo suficientemente flexible para describir la luz como un conjunto indeterminado de partículas a las que llamamos fotones, de tal manera que cada partícula tiene en sí propiedades ondulatorias y al coalescer dan lugar a todos los fenómenos que conocemos.

Hoy sabemos que la materia que nos forma y nos rodea está conformada de pequeñas partículas que al agruparse dan lugar a estructuras complejas. Además sabemos que las propiedades de la materia se derivan de la manera en que las partículas elementales se combinan e interactúan para formar átomos y moléculas.

El desarrollo del entendimiento humano acerca de la naturaleza de la luz así como sobre muchos otros fenómenos ha cambiado drasticamente a través del tiempo. El método científico nos lleva a evaluar con seriedad las observaciones realizadas y a adaptar nuestros modelos y marcos conceptuales para reflejar la información nueva que se genera. La complejidad de nuestras teorías actuales ha surgido de manera natural para permitir la descripción y predicción de una gran variedad de fenómenos con precisión.

Estos fenómenos pueden parecer contradictorios, como el caso de la naturaleza de onda o partícula de la luz. Sin embargo sabemos que nuestro entendimiento aún es incompleto. El misterio del Universo nos mantiene buscando nuevas respuestas a preguntas antiguas. Han pasado alrededor de cien años desde la última vez que hubo una revolución en nuestras teorías físicas de la luz: ¿podría ser que alguna medición o idea vuelva a cambiar nuestra perspectiva próximamente?

Este artículo inaugura una página en nuestro sitio sobre la luz. Nos adentraremos en el mundo de los fotones para entender los conceptos y modelos que llevaron a físicos a explicar las cualidades de la luz. Todo de manera ligera y comprehensible con la opción de adentrarse a modo. ¡Esperemos que disfruten y se mantengan al tanto!

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