¿La luz es una partícula o una onda?

La naturaleza exacta de la luz visible es un misterio que ha intrigado a los humanos durante siglos; y, muchos científicos y filósofos se esfuerzan por responder la siguiente pregunta: ¿La luz es una partícula o una onda?

Los científicos griegos de la antigua escuela pitagórica sostenían que todo objeto visible emite un flujo constante de partículas, mientras que Aristóteles concluyó que la luz viaja de manera similar a las olas en el océano. Si bien estas ideas han experimentado transformaciones y un importante grado de avances a lo largo del tiempo, la esencia del debate planteado por los filósofos griegos se mantiene hasta el día de hoy.

Teoría de la luz: ¿Partícula u onda?

Una de las perspectivas considera la luz como una naturaleza ondulatoria; esta produce energía que atraviesa los espacios en una forma parecida a ondas pequeñas que se extienden por la superficie de un estanque en calma tras la caída de una roca. La perspectiva opuesta sostiene que la luz se compone de un flujo constante de partículas, como pequeñas gotas de agua rociadas por la boquilla de una manguera de jardín.

Durante los últimos siglos, el consenso ha vacilado en una perspectiva que prevalecía por un período de tiempo, para ser anulada sólo con la evidencia de la otra. Solo durante las primeras décadas del siglo XX se recopiló suficiente evidencia convincente para brindar una respuesta integral y, para sorpresa de todos, ambas teorías resultaron ser correctas, al menos en parte.

A principios del siglo XVIII, el debate sobre la naturaleza de la luz separó a la comunidad científica en bandos cuya lucha animosa buscaba dar validez a las teorías preferidas. Un grupo de científicos, que respaldaba la teoría ondulatoria, centró sus argumentos en los descubrimientos del holandés Christiaan Huygens. El campo opuesto citó los experimentos con prismas de Sir Isaac Newton como prueba de que la luz viajaba como una lluvia de partículas, cuyo avance individual en línea recta las conducía a su refracción, absorción, reflexión, difracción o perturbación de alguna otra manera.

Si bien el propio Newton parecía aún dudar acerca de su teoría corpuscular sobre la naturaleza de la luz, su prestigio en la comunidad científica tenía tanto peso que sus defensores ignoraron todas las demás evidencias durante los duros debates.

La teoría de la refracción de la luz de Huygens, basada en el concepto de la naturaleza ondulatoria de la luz, sostenía que la velocidad de la luz en cualquier sustancia era inversamente proporcional a su índice de refracción. Dicho de otro modo, Huygens postulaba que mientras una sustancia «curvaba» o refractaba más luz, esta última se movería de forma más lenta al atravesar dicha sustancia. Sus seguidores llegaron a la conclusión de que si la luz estuviera compuesta por una corriente de partículas, ocurriría el efecto contrario debido a que la luz que entra en un medio más denso sería atraída por las moléculas del medio y experimentaría un aumento, en lugar de una disminución, a nivel de la velocidad.

Pese a que la solución perfecta para este argumento sería medir la velocidad de la luz en diferentes sustancias, como el aire y el vidrio, los aparatos de la época no estaban a la altura. La luz parecía desplazarse a la misma velocidad sin importar el material que atravesaba. Pasaron más de ciento cincuenta años antes de que la velocidad de la luz pudiera medirse con una precisión lo suficientemente alta como para demostrar que la teoría de Huygens era correcta.

A pesar de la gran reputación de Sir Isaac Newton, muchos científicos destacados a principios del siglo XVIII no estaban de acuerdo con su teoría corpuscular. Algunos sostuvieron que, si la luz se componía de partículas, entonces, en el cruce de dos haces, algunas de las partículas chocarían entre sí para producir una desviación en dichos haces. Obviamente, ese no es el caso, por lo que se concluyó que la luz no debía estar compuesta de partículas individuales.

La teoría ondulatoria de la luz

Christiaan Huygens, en toda su intuición, había evocado en su tratado de 1690, Traité de la Lumière, que las ondas de luz viajaban por el espacio mediante el éter, una sustancia mística ingrávida, que existe como una entidad invisible en el aire y el espacio. La búsqueda del éter se tradujo en la pérdida de una cantidad significativa de recursos durante el siglo XIX antes de ser finalmente descartada. La teoría del éter duró al menos hasta finales de 1800, tal y como lo demuestra el modelo propuesto por Charles Wheatstone, el cual planteaba que el éter transportaría ondas de luz al vibrar en un ángulo perpendicular en la dirección de la propagación de la luz, así como los modelos detallados de James Clerk Maxwell que describen la construcción de la sustancia invisible.

Huygens creía que el éter vibraba en la misma dirección que la luz y formaba una onda mientras transportaba las ondas de luz. En un volumen posterior, el Principio de Huygens, él describió ingeniosamente cómo cada punto de una onda podía producir su propia ondícula, cuya suma posterior permitía formar un frente de onda. Huygens empleó esta idea para producir una teoría detallada del fenómeno de la refracción, y también para explicar por qué los rayos de luz no chocan entre sí al cruzarse.

Cuando un haz de luz viaja entre dos medios dotados de diferentes índices de refracción, el haz experimenta refracción y cambia de dirección cuando pasa del primero al segundo medio. Para determinar si el haz de luz está compuesto por ondas o partículas, es posible idear un modelo para cada una de ellas a fin de explicar el fenómeno (Figura 3).

Según la teoría ondulatoria de Huygens, una pequeña parte de cada frente de onda angular debería impactar en el segundo medio antes de que el resto del frente alcance la interfaz. Esta porción comenzará a moverse a través del segundo medio mientras que el resto de la onda seguirá su trayectoria por el primer medio, pero se desplazará de forma más lenta debido al mayor índice de refracción del segundo medio. Puesto que el frente de onda ahora viaja a dos velocidades diferentes, se curvará hacia el segundo medio, lo que cambia el ángulo de propagación.

Por el contrario, con la teoría de partículas es bastante difícil demostrar por qué las partículas de luz deben cambiar de dirección cuando pasan de un medio a otro. Los defensores de la teoría sugieren que una fuerza especial, dirigida perpendicularmente a la interfaz, actúa para cambiar la velocidad de las partículas cuando ingresan al segundo medio. La naturaleza exacta de esta fuerza se ha abandonado al campo de la especulación, y nunca se ha recopilado evidencia para probar dicha teoría.

Una excelente comparación de las teorías de ondas y partículas abarca las diferencias que ocurren cuando la luz se refleja en una superficie especular lisa, como un espejo. La teoría de ondas especula que una fuente de luz emite ondas de luz que se propagan en todas las direcciones. Al chocar con un espejo, las ondas se reflejan en función de los ángulos de llegada, pero con cada onda girada hacia adelante para producir una imagen invertida (Figura 4). La forma de las ondas de llegada depende en gran medida de la distancia entre la fuente de luz y el espejo. La luz que se origina a partir de una fuente cercana permanece con un frente de onda esférico muy curvo, a diferencia de la luz emitida desde una fuente lejana que se propagará más e impactará en el espejo con frentes de onda casi planos.

El aspecto de la naturaleza de partícula en la luz es mucho más sólido con respecto al fenómeno de reflexión que en el caso de la refracción. La luz emitida por una fuente cercana o lejana llega a la superficie del espejo como una corriente de partículas, las cuales rebotan o se reflejan en la superficie lisa. Debido a que las partículas son muy pequeñas, hay una gran cantidad de ellas en un haz de luz que se propaga; viajan una al lado de la otra muy juntas.

Al chocar con el espejo, las partículas rebotan desde diferentes puntos, por lo que su orden en el haz de luz se invierte al reflejarse a fin de producir una imagen invertida, tal y como se muestra en la Figura 4. Tanto la teoría de las partículas como la de las ondas explican adecuadamente la reflexión en una superficie lisa. No obstante, la teoría de partículas también sugiere que, si la superficie es muy rugosa, las partículas rebotan generando una variedad de ángulos, lo que hace dispersar la luz. Esta teoría se cumple extensamente en la observación experimental.

Las partículas y las ondas demuestran comportamientos distintos cuando entran en contacto con el borde de un objeto y forman una sombra (Figura 5). Newton señaló rápidamente en su libro Óptica de 1704, que «a la luz nunca se le conoce por seguir pasajes retorcidos ni se doblega ante la sombra». Este concepto es coherente con la teoría de partículas, la cual plantea que las partículas ligeras siempre viajan en línea recta. Si entran en contacto con el borde de una barrera, las partículas proyectarían una sombra debido a que no se ven bloqueadas por la barrera, continuarían en línea recta y no podrían extenderse detrás del borde. En una escala macroscópica, esta observación es casi correcta, pero no concuerda con los resultados obtenidos a partir de los experimentos de difracción de luz a una escala inferior.

Cuando la luz pasa a través de una rendija estrecha, el haz se propaga y se amplifica más de lo esperado. Esta importante observación presta un cierto grado de credibilidad a la teoría ondulatoria de la luz. Al igual que las ondas en el agua, las ondas de luz que entran en contacto con el borde de un objeto parecen curvarse en torno a este último y en su sombra geométrica, que es una región sin iluminación directa por parte del haz de luz. Este comportamiento es análogo a las ondas de agua que envuelven el extremo de una balsa, en lugar de reflejarse.

Casi cien años después de que Newton y Huygens plantearán sus teorías, el físico inglés Thomas Young llevó a cabo un experimento que respaldaba firmemente la naturaleza ondulatoria de la luz. Como creía que la luz estaba compuesta de ondas, Young consideró que ocurriría algún tipo de interacción si dos ondas de luz se encontraban.

Para comprobar esta hipótesis, usó una pantalla que contenía una única rendija angosta con el fin de producir un haz de luz coherente (con ondas propagadas en fase) a partir de la luz solar ambiente. Cuando los rayos del sol entran en contacto con la rendija, se dispersan o difractan para producir un solo frente de onda. Si se habilita este frente a iluminar una segunda pantalla a través de dos rendijas estrechamente espaciadas, entonces se producen dos fuentes adicionales de luz coherente, perfectamente sincronizadas entre sí (ver Figura 6). Por la mitad de la trayectoria entre estas dos rendijas, la luz proveniente de cada una de ellas, con un solo punto de destino, debería llegar a este último en consonancia perfecta.

Las ondas resultantes experimentarían un reforzamiento entre sí para producir una onda mucho más grande. No obstante, si se toma en cuenta un punto a cada lado del punto central, entonces la luz proveniente de una rendija debería propagarse mucho más lejos hasta llegar a un segundo punto en el lado opuesto del punto central. La luz de la rendija más cercana a este segundo punto llegaría antes que la luz de la rendija distante, por lo que las dos ondas estarían desfasadas entre sí y podrían cancelarse entre ellas para producir oscuridad.

Tal y como sospechaba, Young descubrió que cuando las ondas de luz provenientes del segundo conjunto de rendijas se propagan (o se difractan), estas se encuentran y se superponen. En algunos casos, la superposición combina de la misma forma dos ondas en consonancia. En otros casos, las ondas de luz se combinan un poco o completamente unas con otras en desfase.

Young descubrió que cuando las ondas estaban correlacionadas en consonancia, se sumaban a través de un proceso llamado interferencia constructiva. Las ondas que se hallaban en desfase se cancelarían entre sí: un fenómeno conocido como interferencia destructiva. Entre estos dos extremos, se generarían varios grados de interferencia constructiva y destructiva. Estos producen ondas con un amplio espectro de amplitudes. Young pudo observar los efectos de la interferencia en una pantalla colocada a una distancia determinada detrás de las dos rendijas. Después de ser difractada, la luz que se recombina por interferencia produce una serie de franjas claras y oscuras a lo largo de la pantalla.

Las conclusiones de Young, a pesar de su nivel de importancia, no fueron ampliamente aceptadas en ese momento, lo que se debía principalmente a la arrolladora creencia en la teoría de partículas de la luz. Adicionalmente a sus observaciones sobre la interferencia de la luz, Young planteó que la luz de diferentes colores estaba compuesta por ondas de diferentes longitudes: un concepto fundamental ampliamente aceptado en la actualidad. En cambio, los defensores de la teoría de partículas imaginaron que varios colores se derivaban de partículas que tenían diferentes masas o viajaban a diferentes velocidades.

El efecto de interferencia no se limita a la luz. Las ondas que se producen en la superficie de una piscina o estanque se propagan en todas direcciones y tendrán un comportamiento idéntico. Por ende, cuando dos ondas se encuentran en consonancia, se sumarán para formar una onda más grande a través de la interferencia constructiva. Las ondas que chocan fuera de consonancia se cancelarán entre sí a través de una interferencia destructiva y producirán una superficie nivelada en el agua.

Con el análisis cuidadoso del comportamiento del haz de luz entre polarizadores también se obtuvo mucha más evidencia sobre la naturaleza ondulatoria de la luz. Los filtros polarizadores poseen una estructura molecular única que solo permite el paso de la luz dotada de una única orientación. Es decir, un polarizador puede ser representado como un tipo especializado de persiana [molecular] veneciana, dotada de pequeñas filas de tablilla orientadas en una sola dirección dentro del material polarizador. Si se habilita el choque de un haz de luz contra un polarizador, solo los rayos de luz orientados en paralelo a la dirección de polarización pueden atravesar el polarizador. Si se habilita un segundo polarizador detrás del primero y se orienta en la misma dirección, entonces la luz que atraviesa el primer polarizador también atravesará el segundo.

Sin embargo, si el segundo polarizador es girado para formar un ángulo pequeño, la cantidad de luz que pasa a través de él disminuirá. Si el segundo polarizador es girado de modo a que la orientación sea perpendicular a la del primer polarizador, la luz que pasa por el primer polarizador no pasará en absoluto por el segundo. Este efecto se explica fácilmente por medio de la teoría de ondas; sin embargo, ningún procesamiento en función de la teoría de partículas permite explicar cómo el segundo polarizador bloquea la luz. De hecho, la teoría de partículas es inadecuada para explicar la interferencia y la difracción: dos efectos que más tarde en la historia han sido determinados como manifestaciones del mismo fenómeno.

Los efectos que fueron observados con la luz polarizada jugaron un papel crucial en el desarrollo del concepto que la luz se compone de ondas transversales con componentes perpendiculares a la dirección de propagación. Cada uno de los componentes transversales debería dotarse de una dirección de orientación específica que le permita atravesar o ser bloqueado por un polarizador. Solo las ondas dotadas de un componente transversal, ubicadas en paralelo al filtro polarizador, pasarían y las otras se bloquearían.

A mediados del siglo XIX, los científicos se inclinaban mucho más por el carácter ondulatorio de la luz, pero quedaba una pregunta dominante: ¿Qué es exactamente la luz? Se produjo un gran avance cuando el físico inglés James Clerk Maxwell descubrió que todas las formas de radiación electromagnética representan un espectro continuo y viajan a través del vacío a la misma velocidad: 186 000 millas por segundo. El descubrimiento de Maxwell rasó definitivamente la teoría de partículas y, en los albores del siglo XX, parecía que las preguntas básicas sobre la luz y la teoría óptica finalmente recibían las respuestas deseadas.

La teoría ondulatoria de la luz sufrió un gran revés a fines de la década de 1880 cuando los científicos descubrieron por primera vez que, bajo ciertas condiciones, la luz podía desprender electrones de los átomos de varios metales (Figura 8). Aunque al principio solo era un fenómeno curioso e inexplicable, rápidamente se llegó a la conclusión de que la luz ultravioleta podía liberar átomos de los electrones de una amplia variedad de metales para producir una carga eléctrica positiva. El físico alemán Philipp Lenard se interesó en estas observaciones, a las que denominó efecto fotoeléctrico. Lenard usó un prisma para dividir la luz blanca en sus colores componentes y después enfocó selectivamente cada color en una placa de metal para expulsar los electrones.

Lo que Lenard descubrió lo desconcertó. Para una longitud de onda de luz específica (p. ej., azul), los electrones produjeron un potencial constante o una cantidad fija de energía. La disminución o el aumento de la cantidad de luz produjo un efecto correspondiente (aumento o disminución) en la cantidad de electrones liberados; sin embargo, cada uno mantuvo la misma energía. En otras palabras, los electrones que escapaban de sus uniones atómicas tenían energías que dependían de la longitud de onda de la luz, pero no de la intensidad. Esto se oponía a lo planteado por la teoría ondulatoria. Lenard también descubrió un vínculo entre la longitud de onda y la energía: las longitudes de onda más cortas producían electrones con mayores cantidades de energía.

El fundamento que respaldaba la conexión entre la luz y los átomos se lanzó a principios del siglo XIX cuando William Hyde Wollaston descubrió que el espectro del sol no era una banda continua de luz, sino que contenía cientos de longitudes de onda ausentes. El físico alemán Joseph von Fraunhofer cartografió más de 500 líneas angostas correspondientes a las longitudes de onda ausentes y asignó letras a los espacios más grandes. Posteriormente, se descubrió que los espacios se producían a partir de la absorción de específicas longitudes de onda por parte de los átomos en la capa exterior del sol. Estas observaciones fueron algunos de los primeros vínculos entre los átomos y la luz, aunque en ese momento no se entendió el impacto fundamental.
 

Teoría de partículas de la luz

En 1905, Albert Einstein sostuvo que la luz podría tener algunas características de partículas, independientemente de la arrolladora evidencia de una naturaleza ondulatoria. En el desarrollo de su teoría cuántica, Einstein planteó matemáticamente que los electrones unidos a los átomos en un metal podían absorber una cantidad específica de luz (primero denominada cuanto, pero luego fotón) que les permitiría tener la energía suficiente para liberarse. También consideró que si la energía de un fotón fuera inversamente proporcional a la longitud de onda, las longitudes de onda más cortas producirían electrones con energías más alta, una hipótesis que nació de los resultados de investigación de Lenard.

La teoría de Einstein fue consolidada en la década de 1920 por los experimentos del físico estadounidense Arthur H. Compton, quien demostró que los fotones tenían una cantidad de movimiento (impulso), lo cual era un requisito necesario para sustentar la teoría de que la materia y la energía son intercambiables. En la misma época, el científico francés Louis-Victor de Broglie propuso que toda la materia y la radiación tienen propiedades que se asemejan tanto a una partícula como a una onda. De Broglie, siguiendo el ejemplo de Max Planck, extrapoló la famosa fórmula de Einstein que relaciona masa y energía para incluir la constante de Planck:

E = mc2 = hν

Dónde E es la energía de una partícula, m es la masa, c es la velocidad de la luz, h es la constante de Planck y ves la frecuencia. La investigación de De Broglie, que relaciona la frecuencia de una onda con la energía y la masa de una partícula, fue fundamental en el desarrollo de un nuevo campo, cuyo uso sirvió para explicar ulteriormente la naturaleza ondulatoria y corpuscular de la luz.
 

Dualidad de la luz: Partícula y onda

La mecánica cuántica nació de las investigaciones de Einstein, Planck, De Broglie, Neils Bohr, Erwin Schrödinger y otros que buscaron explicar cómo la radiación electromagnética puede mostrar lo que ahora se denomina dualidad, o comportamiento tanto de partículas como de ondas. La luz se comporta a veces como una partícula y otras como una onda.

Este papel complementario o dual de la teoría, además del comportamiento de la luz, puede emplearse para describir todas las características conocidas que se han observado experimentalmente, desde la refracción, la reflexión, la interferencia y la difracción, hasta los resultados con luz polarizada y el efecto fotoeléctrico. Combinadas, las propiedades de la luz trabajan juntas y nos permiten observar la belleza del universo.