05 La teoría de la óptica de Newton

Los astrónomos han revelado muchos de los secretos del universo usando la física de la luz. Isaac Newton fue uno de los primeros en intentar comprender su naturaleza. Al hacer pasar luz blanca a través de un prisma de cristal, descubrió que se dividía en un arcoiris con lo que demostró que los colores estaban contenidos en la luz blanca, y que no los causaba el prisma. Hoy en día sabemos que la luz visible es un segmento de un espectro de ondas electromagnéticas, que incluye desde las ondas de radio a los rayos gamma.

Si hacemos pasar un haz de luz blanca a través de un prisma, el rayo se divide en un arcoiris de colores. El arcoiris del cielo aparece del mismo modo: la luz del Sol se descompone por las gotas de agua en el espectro de tonos que tan familiar nos resulta: rojo, naranja, amarillo, verde, azul, añil y violeta.

Experimentando con haces de luz y prismas en sus habitaciones, en la década de los años sesenta del siglo XVII, Isaac Newton demostró que la luz de diversos colores se unía para crear una luz blanca. Los colores eran las unidades de base en el lugar de estar formados mediante una mezcla posterior o por el prisma de cristal en sí mismo, como se había considerado hasta entonces. Newton separó los haces de luz roja y azul y demostró que los colores primarios no se separaban por mucho que los hiciéramos pasar por otros prismas consecutivos.

Ondas de luz Gracias a posteriores experimentos, llegó a la conclusión de que la luz se comporta en muchas ocasiones como ondas de agua. La luz se dobla alrededor de los obstáculos, de manera similar a como lo hacen las olas del mar en rompeolas. Los haces de luz también podían sumarse para reforzar o anular su brillo, igual como en las olas de agua que se superponen.

Del mismo modo que las ondas de agua son movimientos a gran escala de moléculas invisibles de agua, Newton creía que las ondas de luz eran en última instancia ondas de minúsculas partículas de luz, o «corpúsculos», más pequeños incluso que los átomos. Lo que Newton desconocía, pues no se descubrió hasta siglos después, es que las ondas de luz son ondas electromagnéticas (ondas de campo magnético y eléctrico emparejadas), y no la reverberación de partículas sólidas. Cuando se descubrió el comportamiento ondulatorio electromagnético de la luz, la idea corpuscular de Newton se dejó a un lado. Sin embargo, se recuperó, aunque revisada, cuando Albert Einstein demostró que la luz también puede comportarse en ocasiones como una corriente de partículas que transportan energía pero que carecen de masa.

A lo ancho del espectro Los diferentes colores de la luz reflejan las diversas longitudes de onda de las ondas electromagnéticas. La longitud de onda es la distancia que separa las crestas consecutivas de una onda. Cuando pasa a través de un prisma, la luz blanca se descompone en muchos tonos (o colores) porque cada tono es desviado en un grado diferente por el cristal. El prisma curva las ondas en un ángulo que depende de la longitud de onda de la luz, siendo roja la que menos se desvía, y la azul la que más, y produce la secuencia de colores del arcoiris. El espectro de luz visible aparece siguiendo el orden de la longitud de onda: empieza por la luz roja, que tiene la mayor longitud, pasa por la verde, y acaba con la azul, que tiene la longitud de onda más corta.

¿Qué se esconde tras el arcoiris? La luz visible es sólo una parte del espectro electromagnético. Es importante para nosotros porque nuestros ojos han evolucionado para usar esta parte sensible de la secuencia. Como las longitudes de onda de la luz visible están más o menos en la misma escala que los átomos y las moléculas (centésimas de milmillonésimas partes de un metro), hay muchas interacciones entre la luz y los átomos en un material. Nuestros ojos han evolucionado para usar la luz visible porque es muy sensible a la estructura atómica.

Newton estaba fascinado por el funcionamiento del ojo; llegó incluso a clavar una aguja de coser en la parte posterior de su ojo para comprobar cómo afectaba la presión a su percepción del color.

Más allá del rojo, la luz se vuelve infrarroja, y tiene longitudes de onda de la millonésima parte de un metro. Los rayos infrarrojos transportan el calor del Sol y las gafas de visión nocturna también pueden captarlos para «ver» el calor de los cuerpos. Más allá todavía, encontramos las microondas, con longitudes de onda de milímetros o centímetros, y ondas de radio de metros y aun mayores. Los hornos microondas usan los rayos microondas electromagnéticos para hacer girar las moléculas de agua de la comida, y calentarlas. En el otro extremo del espectro, más allá del azul, está la luz ultravioleta. La emite el Sol y puede dañar la piel, aunque la capa de ozono de la Tierra detiene la mayor parte de ella. Los rayos X, que se usan en hospitales y que atraviesan los tejidos humanos, tienen longitudes de onda todavía menores. Los astrónomos estudian ahora el universo en todas estas longitudes de onda.

Los fotones No obstante, la luz no siempre se comporta como una onda, de manera que Newton tenía razón en parte. Los rayos de luz transportan energía que se entrega en pequeños paquetes, llamados fotones, que no tienen masa y viajan a la velocidad de la luz. Albert Einstein realizó este descubrimiento, ya que vio que la luz azul y la ultravioleta producían corriente eléctrica en un metal conectado: el efecto fotoeléctrico.

Tales corrientes se generan cuando los metales están iluminados por luz azul o ultravioleta, pero no roja. Ni siquiera un haz de luz roja brillante consigue provocar una corriente. La carga fluye sólo cuando la frecuencia de la luz sobrepasa un umbral que depende del metal.

Dicho umbral indica que hay que acumular cierta cantidad de energía antes de poder arrancar las cargas.

En 1905, Einstein dio con una explicación radical. Fue esta obra, más que la relatividad, la que lo hizo merecedor del Premio Nobel en 1921. Sugirió que, en lugar de bañar el metal con ondas de luz continuas, los fotones individuales golpeaban los electrones del metal y los ponían en movimiento, produciendo así el efecto fotoeléctrico. Como cada fotón tiene una cierta cantidad de energía determinada por su propia frecuencia de onda, la energía del electrón golpeado también está relacionada con la frecuencia de la luz.

Un fotón de luz roja (con una frecuencia baja) no tiene suficiente energía para desplazar a un electrón, pero un fotón azul (una luz con una frecuencia más alta) tiene más energía y puede ponerlo en movimiento. Un fotón ultravioleta tiene aún más energía, de manera que al golpear un electrón puede darle incluso más velocidad. Aumentar el brillo de la luz no modifica nada: no importa que haya más fotones rojos si ninguno de ellos es capaz de alterar los electrones. La idea de Einstein de luz cuántica no fue muy popular al principio, pero eso cambió cuando se comprobó mediante diversos experimentos que su estrambótica teoría era cierta.

Dualidad onda-partícula La propuesta de Einstein planteó la idea incómoda de que la luz era onda y partícula a la vez, es decir, lo que se conoce como dualidad onda-partícula. Los físicos siguen batallando con esta tensión. En la actualidad, se acepta que la luz parece saber si debe comportarse como una u otra según las circunstancias. Es decir, si planteamos un experimento para medir sus propiedades ondulatorias, como cuando la haces pasar a través de un prisma, se comporta como una onda. Si en lugar de eso, intentamos medir sus propiedades corpusculares, es igual de solícita y se comporta como partícula. Ambas cosas son ciertas.

La idea en síntesis: más allá del arcoiris