La Luz

     

  En el principio creo Dios los cielos y la Tierra. Y la Tierra estaba desordenada y vacía, y  las tinieblas moraban sobre la faz del abismo, y el espíritu de Dios se movía sobre las  aguas. Y dijo Dios: Haya luz; y hubo luz. Y Dios vio que la luz era buena; y aparto Dios la  luz de las tinieblas. Y llamo Dios a la luz Día, y a las tinieblas llamó Noche. Y fue la tarde  y la mañana del primer día.  (Libro del Génesis, Cap. I)     

 

La velocidad de la luz  Sorprenderse  y  asombrarse  ante  cosas  comunes  no  es  una  característica  de  tontos.  Los  grandes inventores y descubridores han sido por lo general personas que se asombraban  ante  lo  que  los  rodeaba.  Hace  ya  más  de  dos  mil  años  un  filósofo  griego  dijo  que  la  admiración es la madre de la sabiduría, pues para aprender algo nuevo es necesario antes  saber  que  se  lo  ignora.  Ante  los  hechos  desconocidos,  el  hombre  inteligente  siente  asombro primero y curiosidad después.  Pero no hay que pensar que las cosas raras se encuentran en continentes lejanos, ni en  tierras exóticas, ni en otros planetas: lo curioso, lo absurdo, lo portentoso, nos rodean por  todas  partes,  y  justamente  pasan  inadvertidos  cuando  nos  son  cercanos  y  familiares.  Desde  niños  nos  dicen  que  la  Tierra  es  una  esfera,  lo  que"  significa  que  si  nosotros  estamos con la cabeza arriba, los habitantes de la China estarán con la cabeza abajo; de  aquí  un  hecho  asombroso,  y  por  esto  la  gente  se  detiene  a  pensar  en  él.  Hay  algo  más  extraño todavía:  Los  chinos  dicen  que  ellos  están  cabeza  arriba,  y  que  nosotros  estamos  cabeza  abajo.  ¿Quien tiene razón? Y además, ¿el que está cabeza abajo, sea quien fuere, por qué no cae  a los abismos intersiderales? Todos éstos son enigmas que se plantean en cuanto miramos  el mundo de las cosas que nos rodean.  Se  nos  enseña  que  la  Tierra  gira  alrededor  del  Sol.  La  distancia  a  este  astro  es  de  150  millones  de  kilómetros  y  nuestro  planeta  describe  aproximadamente  una  circunferencia  de  unos  900  millones  de  kilómetros  de  longitud.  Un  simple  cálculo  nos  revela  que  para  hacer ese recorrido en un año, la Tierra debe correr en su órbita a razón de 100 000 km/h.  Cuando en automóvil pasamos los 100 km/h, no es raro que temamos por nuestras vidas.  ¿Cómo  es  posible  que  viajando  por  los  espacio  a  razón  de  100  000  km/h  no  suceda  ninguna catástrofe? Hay dias serenos en que no se mueve una sola hoja. Ni se nota la más  ligera  brisa:  ¿cómo  es  posible  que  en  ese  mismo  instante  la  Tierra  viaje  a  velocidad  tan  enorme? He aquí nuevos enigmas que se refieren a hechos familiares.  Es  muy  fácil  decir  que  vivimos  en  un  planeta  esférico  y  que  ese  planeta  da  vueltas  alrededor del Sol. ¿Cómo asombrarnos ante hechos tan familiares? Hallar el misterio en 

todas partes. Preguntar continuamente y sorprenderse ante el mundo que nos rodea: esas  son  características  sobresalientes  de  los  más  grandes  genios  que  Ia  humanidad  ha  conocido.  Desde  pequeños  nos  acostumbramos  a  recibir  con  naturalidad  la  claridad  del  día  y  la  oscuridad  de  la  noche;  nos  criamos  en  habitaciones  donde  con  una  simple  llave  encendemos  la  lámpara  y  tenemos  a  nuestra  disposición  tanta    o  más  luz  que  en  pleno  día, y no nos preocupa este milagro.  Y  sin  embargo,  ¡que  extraña  y  misteriosa  es  la  luz!  Si  golpeamos  una  campana,  el  aire  cercano  vibra,  y  esa  vibración  se  propaga  en  forma  de  ondas  y  llega  a  nuestros  oídos,  Pero,  por  lo  menos  en  este  caso  hay  algo  que  vibra  y  que  conduce  la  perturbación.  Pensemos que ocurre con la luz del Sol: para llegar a la Tierra debe atravesar 150 millones  de kilómetros. Espacio donde no hay nada, ni siquiera aire. ¿Cómo puede ser esto? Se dice  que la luz, como el sonido, también es un fenómeno ondulatorio: pero entonces podemos  preguntarnos ¿qué es lo que ondula? ¿La nada? Y luego nos enteramos de que la luz se  propaga con una velocidad de 300 000 km/s, y que sólo tarda 8 minutos para llegar desde  el Sol a la Tierra. Este es otro hecho que debe maravillarnos.  Estos  interrogantes  son  algunos  de  los  que  hacen  apasionante  el  estudio  de  la  Óptica  o  ciencia de la luz 

Galaxia espiral NGC 5236   

 

 

¿Qué es la luz?  Breve historia de las teorías sobre su naturaleza  ¿Qué es la luz? Sabios de todas las épocas han tratado de responder a esta pregunta.  Los  griegos  suponían  que  la  luz  emanaba  de  los  objetos,  y  que  era  algo  así  como  un  "espectro"  de  los  mismos,  extraordinariamente  sutil,  que  al  llegar  al  ojo  del  observador  permitía verlos.  Pero  es  Newton  quien  formula  la  primera  hipótesis  seria  sobre  la  naturaleza  de  la  luz,  Supuso que estaba formada por pequeños corpúsculos que salían del cuerpo luminoso y  que  al  herir  el  ojo  permitía  Ia  observación  de  los  objetos  de  donde  habían  partido.  Así  explicaba el comportamiento de la luz al reflejarse en los espejos y al pasar de un medio  transparente  a  otro,  como  por  ejemplo  del  agua  al  aire,  casos  en  que  el  rayo  de  luz  se  quiebra y se desvía de su dirección inicial. Newton sostuvo que la velocidad de la luz era  mayor en el medio más denso (agua, en este caso), pues esa era una consecuencia de su  teoría corpuscular,  En  la  época  de  Newton  vivió  Huygens,  quien  emitió  la  hipótesis  de  que  Ia  luz  era  un  fenómeno  ondulatorio,  de  naturaleza  semejante  a  la  del  sonido.  La  extraordinaria  autoridad científica de Newton, entre otras cosas hizo que la teoría ondulatoria de la luz  tuviera que esperar muchos años antes de ser aceptada.  Según  esta  teoría,  la  velocidad  de  la  luz  disminuye  al  penetrar  en  el  agua,  que  es  lo  contrario  de  lo  que  se  deduce  de  la  teoría  corpuscular.  Esta  contradicción  de  las  dos  teorías  fue  uno  de  los  mayores  incentivos  que  hubo  cuando  se  hallaron  procedimientos  para  medir  la  velocidad  de  la  luz,  pues  la  experiencia  que  permitiera  determinarla  decidiría cuál de las dos teorías era la más acertada. Cuando Fizeau y Foucault lo lograron,  comprobaron  que  la  luz  se  propaga  con  mayor  velocidad  en  los  medios  menos  densos.  Esto resultó el golpe de muerte para la teoría corpuscular de Newton.  La teoría ondulatoria de la luz explicaba todos los fenómenos luminosos conocidos hasta  los  últimos  años  del  siglo  XIX;  de  ahí  que  se  la  considerase  como  una  verdad  definitiva.  Pero en 1887, el físico Hertz descubrió un nuevo fenómeno luminoso: cuando un cuerpo  (sobre  todo,  metálico)  cargado  de  electricidad  era  iluminado,  preferentemente  con  luz 

ultravioleta, se desprendían de él cargas eléctricas negativas. A este fenómeno se le llamó  efecto  fotoeléctrico.  Y  su  estudio  llevó  a  los  físicos  a  la  conclusión,  confirmada  por  experiencias,  de  que  sólo  es  explicable  si  se  admite  que  la  luz  se  comporta  como  si  estuviera constituida por corpúsculos. En cierto modo un retomo a la teoría de Newton.  Pero lo extraordinario del caso es que los fenómenos luminosos que cimentaron la teoría  ondulatoria de la luz no pueden ser explicados admitiendo una naturaleza corpuscular de  la  misma.  Y  así  es  como  los  físicos  de  hoy  se  encuentran  ante  la  curiosa  duplicidad  del  comportamiento de la luz: en algunos fenómenos se revela como ondulatoria y en otros,  tan importantes como los anteriores, como corpuscular.  La visión de las cosas  Las  cosas  se  nos  hacen  visibles  por  que  tienen  luz  propia  o  porque  reflejan  la  luz  que  reciben de otros cuerpos.  Un cuerpo que produce luz: una lamparilla encendida, un fuego, un trozo de metal al rojo,  el Sol, las estrellas, se denomina fuente de luz. La Luna, Marte, Venus y los demás planetas  no son fuentes de luz, pues sólo reflejan la luz del Sol.  El Sol es una formidable fuente de luz y calor. Según cálculos de los astrofísicos hace por lo  menos  2  000  millones  de  años  que  esta  estrella  lanza  al  espacio  energía  calórica  y  luminosa, y probablemente lo seguirá haciendo durante millones de años mas. ¿Cómo es  posible que durante tan increíble cantidad de años se pueda gastar tanta energía, sin que  la  fuente  se  consuma?  Si  el  Sol  fuera  una  esfera  de  carbón  de  la  mejor  calidad,  su  combustión duraría apenas unos 6 000 años.  Durante muchísimos años los hombres de ciencia fueron incapaces de explicar el origen  de la energía solar, hasta que en los últimos años el físico Hans Bethe pudo demostrar que  la energía solar es energía atómica.  Según  Einstein,  un  trocito  cualquiera  de  materia  (un  pedazo  de  tiza,  por  ejemplo)  es  ni  más  ni  menos  que  energía  concentrada.  Se  calcula  que  en  un  gramo  de  materia  hay  almacenada una energía atómica de unos 25 millones de kilovatios‐hora.  Los  astrofísicos  suponen  que  en  el  centro  de  las  estrellas,  donde  las  presiones  y  las  temperaturas  alcanzan  valores  prácticamente  desconocidos  en  la  Tierra  (Arturo 

Eddington, gran astrofísico inglés, calculó que en el centro del Sol la presión debe ser de  1010  atmósferas  y  la  temperatura  de  20.000.000ºC),  la  materia  puede  transformarse  en  energía. De acuerdo con esto, como la masa del Sol es de 2. 1030 kg, y cada gramo puede  liberar 25 millones de kWh, es fácil predecir que el Sol puede tener aún una larga vida.  En  la  antigüedad  se  creyó  que  la  luz  se  propagaba  instantáneamente.  Por  ejemplo,  si  alguien  encendía  un  fuego  en  lo  alto  de  una  montaña,  se  suponía  que  en  el  preciso  instante de producida la luz ya podía ser vista por una persona que estuviera a 5 ó 10 km.  Ahora sabemos que no es así: la luz se propaga con una velocidad de 300.000 km/s; pero  por veloz que sea, tarda algo en recorrer cualquier distancia.   

LA SOSPECHA DE GALILEO  Galileo  fue  uno  de  los  primeros  en  sospechar  que  la  luz  no  se  propaga instantáneamente, y se propuso medir su velocidad.  Su  procedimiento  fue  muy  sencillo:  supongamos  que  dos  personas se colocan en un lugar despejado, separadas por una  distancia  de  1  km,  por  ejemplo.  Ambos  han  puesto  sus  relojes  en hora, y han convenido en que uno de ellos encienda una luz  exactamente a las 12 de la noche. Si el segundo observador viera encenderse la luz a las  12 y 2 segundos, por ejemplo, la luz habría tardado 2 segundos en recorrer los 1.000 m  que los separa y su velocidad seria de 500 m/s.  Galileo  realizo  la  experiencia,  pero  los  relojes  no  indicaron  ninguna  diferencia  entre  el  instante  de  encender  la  luz  y  el  de  recibirla.  Entonces,  ¿tenían  razón  los  antiguos,  y  la  propagación de la luz era instantánea? Galileo quedó perplejo, pero atribuyo el resultado  negativo  de  su  experiencia  a  la  extraordinaria  magnitud  que  debería  tener,  y  que  resultaba imposible medir con método tan rustico. Basta pensar que la luz recorre 1 km en  sólo 0,000 003 s. 

   

La prim mera medición  70, por prim mera vez en  la historia,  el astrónom mo danés Olaaf Römer pu udo calcularr la  En 167 velocid dad de la luz. Se hallabaa estudiando los eclipsees de unos d de los satélittes de Júpiteer,  cuyo  periodo  p hab bla  determin nado  tiempo o  atrás.  Estaaba,  pues,  en  condiciones  de  calcular  cuándo  habrían  de  d producirsse  los  próxim mos  eclipsess.  Se  puso  a  a observar  uno  u de  ellos,  y  con so orpresa vio q que a pesarr de haber llegado el insstante tan ccuidadosameente calculado  por él,, el eclipse n no se produccía. El satélite demoro 1..000 segundos más en d desaparecer..  Asomb brado,  revissó  cuidadosaamente  sus  cálculos  y  comprobó  c q eran  co que  orrectos.  ¿Q Qué  había sucedido?  Para 

compren nderlo 

m mejor, 

mos la siguie ente comparración:  hagam imagin nemos  que  la  sirena  de  d una  fábricaa  suena  todos  los  dias  exactaamente a lass 12. Un seño or que  vive a  350 m de e ella la oirá a  las 12  horas  y  1  seggundo,  pues  la  velocid dad  del  son nido  es  de  350  3 m/s.  Si  un  día  estee  señor  se  encuentra  e a 700  m  de la  a  fábricaa,  no  se  aso ombrará  de  oír  la  sirena  a  las  12  y  y 2  segundo os,  porque  el  e sabe  que el  sonido o tune una velocidad de 350 m/s.  Algo m muy parecido sucedió a Römer con los eclipsess del satélitee de Júpiter. Römer hab bía  hecho o todos sus ccálculos basáándose en observacionees realizadas cuando la TTierra y Júpitter  ocupaban  las  possiciones  quee  en  la  figu ura  señalamos  con  T  y  J  respectivvamente,  peero 

cuando observó el retraso en el eclipse, las posiciones ocupadas por los planetas eran T' y  J'.  El  dibujo  muestra  que  entonces  la  luz  debe  recorrer  una  distancia  suplementaria  de  300.000.000 km y en ello empleó los 1.000 segundos de retraso que tanto sorprendieron a  Römer. Entonces el astrónomo interpretó correctamente los hechos e hizo el cálculo de la  velocidad de la luz:  300000000 1000

300000

 

  El primer método terrestre.  En 1849. el físico francés Fizeau, con un método ingenioso, logró medir la velocidad de la  luz con una experiencia hecha en la Tierra. Envió un rayo de luz por entre los dientes de  una rueda dentada que giraba a gran velocidad, de modo que se reflejara en un espejo y  volviera  hacia  la  rueda.  Si  la  velocidad  de  ésta  es  suficientemente  grande,  desde  el  instante  en  que  el  rayo  de  luz  pasa  hacia  el  espejo  hasta  el  que  llega  nuevamente  a  la  rueda, el diente que estaba al lado del espacio por donde pasó el rayo, lo habrá ocupado,  y  la  luz  no  podrá  pasar,  de  modo  que  si  se  r

mira  el  espejo  a  través  de  la  rueda,  no  se 

d

vería  la  imagen  de  la  fuente  luminosa,  pues  los  rayos  reflejados  no  llegan  hasta  el  observador.  Si  la  rueda  tiene  N  dientes  y  N  espacios.  frente  a  la  recta  r  pasan  en  cada  vuelta  2  N  diente  y  espacios;  si  da  n  vueltas  por  segundo,  frente  a  r  pasan  en  1  seg  2  Nn  diente y espacios, de modo que para que un diente pase a ocupar el espacio adyacente.  deberá  transcurrir  un  tiempo  2  Nn  veces  menor  que  1  segundo:  lapso. la luz recorre la distancia d de ida y vuelta. con lo que resulta:  4

  

  En  ese  mismo 

Fizeau instaló el anteojo de observación. La fuente luminosa. la lámina semitransparente y  la rueda dentada en la azotea de su casa, y el espejo en Montmartre, a una distancia de  8633 m; N= 720; n = 12,6 vueltas por segundo, con lo que resulta:  C=313000 km/s  Mas  adelante,  otros  experimentos  repitieron  la  experiencia  de  Fizeau.  Obteniendo  siempre valores muy cercanos a los 300 000 kilómetros por segundo.   

El método de Foucault  En 1850, León Foucault, y casi simultáneamente Fizeau, idearon un método que permite  medir la velocidad de la luz en el reducido espacio de una habitación.  La idea consiste en enviar un haz de luz sobre un espejo giratorio E, haciéndole  atravesar  una  lamina  de  vidrio  V.  semitransparente  y  semirreflectora.  Un  espejo  fijo  M  devuelve el rayo sobre E, y atraviesa luego la lámina V, observándose la mancha luminosa  P en una pantalla. Cuando el espejo E gira con una velocidad angular w suficientemente  elevada, mientras el rayo va desde E hasta M, y de vuelta desde M hasta E. el espejo E ya  ha girado un ángulo α, de modo que se observará el punto luminoso en P´ y no en P. Se  tiene entonces:                     (1)  La distancia δ se mide directamente y el tiempo t se calcula mediante el ángulo α girado  por el espejo, y su velocidad angular w                      (2)  Foucault. midió la velocidad angular w por la altura del sonido producido por una sirena  sobre cuyo eje estaba montado el espejo rotatorio. El ángulo α se calcula por la relación  D.2α= PP´           (3)  De (1), (2) y (3) resulta:  4 ´

 

En las primeras experiencias de Foucault, las cantidades medidas eran δ= 1 m; D = 4m; w=  1 000 vueltas por segundo; P P'= 0,34 mm, con lo que obtuvo c = 296 000 km/s. 

Pocos  días  después  de  haber  medido  la  velocidad  de  la  luz  en  el  aire,  Foucault  y  Fizeau  midieron  la  velocidad  de  la  luz  en  el  agua,  colocando  un  tubo  lleno  de  esta  entre  los  espejos E y M. Y obtuvieron así un resultado experimental que decidió la controversia a  favor de la teoría ondulatoria: la velocidad de la luz disminuye al pasar de un medio a  otro más denso.  Este  experimento  provocó  profundas  reflexiones  sobre  la  naturaleza  del  mundo  físico;  entre otros, de Alberto Einstein, quien se valió de este experimento para fundamentar su  teoría de la relatividad 

   

MICHELSON, EL HOMBRE QUE DEDICÓ SU VIDA A MEDIR LA  VELOCIDAD DE LA LUZ  En temas tan importantes como la velocidad de la luz, cada cifra  decimal  de  la  que  se  esté  absolutamente  seguro  es  todo  un  triunfo.  Y  esto  solamente  se  logra  dedicándole  mucho  tiempo  y  muchos esfuerzos.  Uno  de  los  casos  más  notables  es  el  del  físico  estadounidense  Alberto Michelson. premio Nobel de Física en 1913.  Quien dedicó su vida a medir la velocidad de la luz, con precisión  cada vez mayor. Su primera medición la realizó en 

1878, y la última serie en 1931, año de su muerte. Michelson empleó el método del espejo  rotatorio.  altamente  refinado  y  perfeccionado  por  él.  En  sus  últimas  determinaciones  había colocado el espejo giratorio en el Observatorio del Monte Wilson, y enviaba el haz  de  luz  hasta  un  punto  situado  a  unos  35  km,  donde  un  espejo  lo  devolvía  al  espejo  giratorio. También hizo mediciones haciendo recorrer al rayo luminoso alrededor de 1.500  m por el interior de un tubo en donde había hecho el vacio, para determinar la diferencia  con la velocidad en el aire.     

 

Experiencia  Para calcular la velocidad de la luz (c) tan solo utilizamos la siguiente fórmula: c = l x v  donde l (lambda) es la longitud de onda (en metros) y v (nu) es la frecuencia de oscilación  de la onda electromagnética, es decir, el número de ondas que se originan cada segundo.   Para calcular la velocidad de la luz no podemos utilizar la luz visible ya que de una forma  casera sería imposible determinar su longitud de onda al ser tan pequeña (en torno a la  milésima parte del milímetro), por lo que empleamos la longitud de onda que genera  nuestro microondas, ya que su longitud de onda es en torno a los centímetros.   Las ondas se caracterizan por poseer crestas y valles a lo largo de su longitud de onda (l). A  su vez, cuanto mayor es el número de estas oscilaciones mayor es la frecuencia, medida  en Herzios (Hz), y con ello la energía de dicha onda, determinada según la fórmula  E = h x v   Los puntos más energéticos son las cimas de las crestas, por lo tanto, si podemos  detectarlos podríamos medir la distancia entre éstos y con ello hallar la longitud de onda.   La velocidad de la luz es la máxima velocidad que puede alcanzar una partícula según la  teoría relativista de Einstein ...  Instrucciones:   1. Retirar la base giratoria de interior del microondas y situar de nuevo el plato de  vidrio. Con ello conseguimos que el plato no gire y así la acción del microondas se  produzca siempre en el mismo punto.   2. Situar dos fetas de queso de fundir sobre el plato de cristal y conectar el microondas  eligiendo la menor potencia posible.   3. Parar el microondas cuando observemos que algunas zonas del queso empiezan a  fundirse.   Los microondas están fabricados en un material capaz de reflejar las ondas microondas,  generalmente de aluminio. Además las dimensiones del interior del microondas están  diseñadas para que las ondas reflejadas no se anulen entre sí, sino que se acoplen  (resonancia) y con ello se obtiene obtenemos nuevas ondas (estacionarias) que poseen la  misma longitud de onda pero con amplitudes mayores. Las zonas fundidas del queso 

corresponden a las cimas de las crestas de estas ondas estacionarias, es decir, los puntos  más energéticos.   4. Medir la distancia entre dos puntos del queso que estén fundidos con una regla  simple.   5. Tomar papel y lápiz. Ahora calculamos la velocidad de la luz. Para ello multiplicamos  por dos la distancia entre los puntos (aproximadamente 6 cm) ya que la longitud de onda  equivale al doble de la distancia entre dos crestas. Utilizando la fórmula anteriormente  descripta sólo necesitamos conocer la frecuencia de nuestro microondas que  encontraremos en su parte posterior. La frecuencia estándar de los microondas es de  2450 MHz, es decir 2.450 millones de oscilaciones por segundo.   c = l x v = 0’12 (m)∙2.450.000.000 (1/s) = 300.000.000 m/s = 300.000 km/s   Aunque el valor de la velocidad de la luz sea tan elevado, se puede calcular de una forma  muy sencilla, realizando un experimento casero en el que simplemente hemos necesitado:   Un Microondas   Dos fetas de Queso