Hasta llegar a la verdad: Se necesita tiempo y muchas mentes

Lo que pensaron nuestros ancestros sobre la luz, desde la antigüedad hasta…

La imagen del ojo como farol era un lugar común en tiempos pasados. La luz del sol desempeñaba un papel secundario en el misterio de la vista. El fulgor de los ojos de los gatos y su capacidad para moverse de noche convencieron a los primeros ópticos de la realidad del fuego visual.

EMPEDOCLES de Agrigento (492-435 a.C.)

El pensador que nos dijo que todo estaba formado por cuatro elementos: agua, tierra, aire y fuego. Reconocía la existencia de la luz solar; pero consideraba que la luz era sólo una parte del proceso, y reconocía que algo más se requería para la visión.

     PLATON (427-347 a.C.)

Completó la explicación de Empédocles (aunque era similar): el fuego del ojo hace que éste emita una luz suave. Esta luz se fusiona con la diurna (lo semejante con lo semejante), formando así un cuerpo único de luz. Es decir, dos luces se unen y actúan como mediadoras entre el hombre y el mundo externo.  El ojo de la mente no es pasivo, sino que desempeña un papel importante en el acto de ver.

EUCLIDES (325-¿ a.C.)

En su libro “Óptica” presenta un tratado geométrico brillante sobre la vista. Creía que un rayo visual era esencial para la visión y propuso argumentos a favor de esta posición. Por ejemplo, a menudo no vemos las cosas aun cuando las miramos. Si se nos cae una aguja, no la vemos de inmediato aunque nuestro campo visual incluya la aguja. Si la visión dependiera sólo de una luz externa que viajara a los ojos, la veríamos de inmediato. Evidentemente la luz se reflejaba en la aguja y viaja al ojo mientras la buscamos. Entonces la visión no depende sólo de la luz externa. Sin embargo, si consideramos el rayo visual, al buscar la aguja, el rayo visual del ojo barre el suelo y vemos la aguja cuando el rayo la alcanza. El rayo de Euclides presenta importantes diferencias con la etérea y luminosa emanación de Empédocles y Platón.

                            ARISTÓTELES (384-322 a.c.)

Pero, si el ojo alberga una fuente luminosa, ¿por qué no vemos de noche? Aristóteles sostenía que el aire oscuro es opaco. Si encendemos una lámpara se vuelve transparente (como el cristal líquido de las pantallas). El fuego puede cambiar el estado del aire de transparente en potencia a transparente en acto. Entonces nosotros, con nuestros ojos activos, vemos a través de la habitación. Para Aristóteles la luz no era una cosa sino un estado en que se hallaba un medio. La luz no tenía sustancia ni estructura. Esta concepción no cambiará hasta el S. XVII.

DEMÓCRITO (470-380 a.c.)

Sostenía que no existía otra cosa que átomos y vacío. Otros seguidores fueron EPICURO, CICERON y LUCRECIO. La luz era una granizada de partículas. Las imágenes se desprendían de los objetos o los objetos las desprendían y se precipitaban al ojo para entrar (por eso se veía en la pupila). Hacia el final del Imperio Romano se cerró la Academia platónica (529 d.c.) sede del pensamiento pagano y herejes. Los siete sabios de la academia de Atenas huyeron a Irán. En el S.VI era el mayor centro cultural del mundo: observatorio astronómico, escuela de medicina y el primer hospital del mundo. ¡Ah! también se construyó allí la Casa de la Sabiduría.

Más de un siglo después, Abu Ali al-Husain ibn Abdallah ibn Sina (980-1037), más conocido como Avicena le empezó a dar prensa a la TEORÍA DE LA INTROMISIÓN, que parece haber sido inventada por Aristóteles. Avicena dijo que el ojo es como un espejo y el objeto visible es como lo que se refleja en el espejo por mediación del aire u otro cuerpo transparente… A continuación, esa imagen era percibida por el alma o el cerebro.  En realidad fue Ibu Ali al-Hasan ibn al-Haytham ( en latín, Alhazen…) quien unificó las teorías anatómica, física y matemática de la visión. ¿Qué sabemos de él?

Ibu Ali al-Hasan ibn al-Haytham

ALHAZEN (Basora, 965 d.c.) En el S.IX Bagdad se convirtió en un gran centro cultural. El filósofo, matemático, astrónomo y óptico alejó más la historia de la vista de lo espiritual. En el 1040 su obra se tradujo al latín y se convirtió en el fundamento de los futuros estudios de Óptica: reemplazó la teoría platónica de la luz y estudió la cámara oscura. El enfoque de la visión enfatizaba la luz externa a tal punto que elaboró una serie de argumentos para respaldar la idea de que la vista derivaba totalmente de la luz que entraba a los ojos (mirar mucho al sol, duele; mirar una luz y cerrar los ojos da el mismo contorno con otros colores y más difuminados). Los rayos eran útiles para el estudio geométrico de la luz.

LEONARDO DA VINCI (1452-1519) Sugirió que el ojo era una cámara oscura donde se proyecta la imagen del mundo.

KEPLER (1571-1630) Desarrolló una explicación geométrica de la cámara oscura y una explicación del ojo y de la visión. El problema de la imagen invertida lo dejó para otro.

GALILEO (1564-1642) No dio una explicación tajante sobre la naturaleza de la luz, pero para él la luz no era Dios sino un cuerpo.(distorsiones en el sol, planetas con el telescopio: no vio ángeles ni perfección). En 1611 Galileo llevó piedras fosforescentes (esponja solar): luz fría. Según Aristóteles, el fuego volvía transparente el aire pero no una piedra fría. Entonces, quizá la luz fuera como el calor una acción corpuscular y mecánica. La luz puede ser un cuerpo como los demás.

DESCARTES (1596-1650) Hizo la verificación experimental de los estudios de Kepler. Así el rayo interior se extinguió. Por otra parte propuso una filosofía del universo: “Las reglas de la naturaleza son las reglas de la mecánica”. Su concepción de la luz es la siguiente:

El espacio es inconcebible aparte de la materia. Donde hay espacio, hay materia (comparación con la uva triturada y el jugo). El espacio está lleno de un plenum concebido de manera atomista, un fluido material que ocupa todos los vacíos e impulsa a los planetas en su trayecto. Entre el ojo y el objeto hay una columna de plenum a lo largo del cual puede viajar una acción (velocidad infinita). La luz no es un proyectil ni un fluid, sino una tendencia al movimiento en el plenum. I.e. el objeto afecta el plenum circundante, causando una conmoción en el ojo y así vemos. La vista y la luz son mecanismo.

HUYGENS (1629-1695) Consideraba que la luz era una onda, una vibración pura que se propaga por una sustancia más sutíl que el aire pero de gran rigidez. (La nave que fue enviada a Titán lleva su nombre).

Animación del Cassini-Huygens

NEWTON (1642-1727):

La fama de Newton comenzó con un telescopio (reflector). En 1665, durante la peste, inventó el cálculo, la teoría de la gravedad, la dinámica planetaria, la teoría de la luz y la del color. Para él la unidad fundamental de la luz es el rayo, que corresponde a una teoría corpuscular de la luz: los componentes mínimos o rayos eran formales (construcciones ópticas). Los rayos de luz llegan desde el sol y hay distintas clases de rayos (colores) que sumados dan la luz natural. Y se preguntaba: “¿No son los rayos de luz pequeñísimos cuerpos emitidos desde sustancias brillantes?”. Los más pequeños azules y los más grandes rojos. (ver Descartes). La luz era un cuerpo y las leyes de movimiento eran las mismas que las de las manzanas y los planetas. El cosmos estaba unificado: las fuerzas de atracción y repulsión atraían e impulsaban proyectiles de luz, sino viajarían en línea recta siguiendo la ley de inercia. La Óptica de Newton se aceptó acríticamente en Universidades, la difundió con conferencias en los clubes científicos y hubo versiones populares escritas por literatos (Voltaire: “Elementos de la filosofía de Newton” )

1. Si dos personas se miran, las partículas deben la fama de Newton comenzó con un telescopio (reflector). En 1665, durante la peste, inventó el cálculo, la teoría de la gravedad, la dinámica planetaria, la teoría de la luz y la del color. Para él la unidad fundamental de la luz es el rayo, que corresponde a una teoría corpuscular de la luz: los componentes mínimos o rayos eran formales (construcciones ópticas). Los rayos de luz llegan desde el sol y hay distintas clases de rayos (colores) que sumados dan la luz natural. Y se preguntaba: “¿No son los rayos de luz pequeñísimos cuerpos emitidos desde sustancias brillantes?”. Los más pequeños azules y los más grandes rojos. (ver Descartes). La luz era un cuerpo y las leyes de movimiento eran las mismas que las de las manzanas y los planetas. El cosmos estaba unificado: las fuerzas de atracción y repulsión atraían e impulsaban proyectiles de luz, sino viajarían en línea recta siguiendo la ley de inercia. La Óptica de Newton se aceptó acríticamente en Un seguir la misma trayectoria en dirección contraria
2. Si el sol irradiara gran cantidad de partículas, se consumiría.
3. ¿Cómo pasan tantos corpúsculos por el agujero de la cámara oscura sin afectar la imagen? La respuesta era: son muy pequeñas y eficientes. Entonces deberían ser muchísimos porque se derretía una lámina de cobre en el foco de un reflector de medio metro. La teoría cartesiana eludía muchas dificultades. Es la simiente de la teoría ondulatoria Pero ambas teorías tenían una concepción material.

                                                                                    EULER (1707-1783)

“Los rayos de luz solar son respecto del éter lo que el sonido es respecto del aire” Los objetos luminosos “vibran” y el éter lleva esas vibraciones al ojo como el aire lleva el sonido al oído. Argumentó en contra de la teoría de Newton, pero no pudo explicar la difracción (Grimaldi, 1665) (DAR EJEMPLOS). Sus libros fueron leídos por Lagrange, Laplace, Gauss, Poisson y Fourier (los primeros físicos-matemáticos) y comenzó la aplicación del análisis matemático moderno a la naturaleza.

YOUNG (1773-1829) A la teoría de Euler le sumó que las ondulaciones del éter se pueden reforzar o debilitar al punto de la extinción mediante una interferencia similar a las de las ondas de agua: Principio de Interferencia.

FRESNEL (1788-1827) (Ingeniero Civil)

Otro de los problemas era la polarización, que parecía favorecer la teoría corpuscular. En 1819 en la Academia de Ciencias de París se reunieron los más grandes físico-matemáticos de la época (partidarios en su mayoría de la teoría corpuscular) para juzgar cuál era el mejor enfoque científico sobre la difracción. Fresnel, mediante un refinado uso del principio de interferencia y deslumbrante aplicación del cálculo realizó nuevas predicciones. Pero no hizo experiencias ni ejemplos concretos. Poisson procedió a resolver una de sus engorrosas ecuaciones y llegó a un aparente absurdo: predecía un punto de luz directamente detrás de un pequeño obstáculo opaco. Arago realizó una experiencia y obtuvo lo que Fresnel había predicho con su teoría. Poisson, sin quererlo, sepultó la teoría corpuscular de Newton.

Otro de los problemas era la polarización (resplandor y polaroides). La experiencia era la siguiente: se pasaba luz por un cristal llamado espato de Islandia y luego por otro. Para cierta orientación relativa ninguna luz pasa por el segundo. Los teóricos corpusculares habían sugerido que las partículas de luz, al pasar por el primer cristal, eran seleccionadas de acuerdo a su forma. Si el segundo cristal estaba alineado de la misma manera la luz lo atravesaba. Si no, no. Sería como insertar una clavija cuadrada en un cuadrado. Para los ondulatorios el problema fundamental era que el sonido no presentaba efectos de polarización. Fresnel sugirió entonces que la luz era transversal a la dirección de propagación. Cuando en Inglaterra se conocieron los trabajos de Fresnel, se comenzaron a utilizar sus ideas (1820-1835).

                                                                                 FARADAY (1791-1867)

Dadas sus convicciones religiosas, Faraday era propenso a creer en la unidad de la naturaleza: lo aparentemente disímil es en realidad lo mismo. Conociendo la obra de Fresnel, pensó que tal vez se podrían vincular no sólo luz y sonido, sino también efectos eléctricos. En la inducción electromagnética entre dos circuitos sugirió que una onda de electricidades causada por cambios súbitos en la corriente del primario. Esta onda viaja en el espacio e induce una perturbación similar en el secundario. Durante casi 30 años se dedicó a realizar estudios experimentales para saber qué era esa onda eléctrica que puede conectar circuitos distantes sin conexión. Su primer ataque a las teorías vigentes consistió en considerar que los átomos eran aglomeraciones, eran centro de fuerzas.Así el plenum de Descartes era un mar de fuerzas. Los átomos son intersecciones de miles de líneas de fuerza que atraviesan el Universo. Reemplazando a Wheastone inesperadamente en una conferencia, habló sobre sus PENSAMIENTOS SOBRE VIBRACIONES DE LOS RAYOS : las vibraciones llamadas luz descritas por Fresnel no eran vibraciones del éter sino movimientos de líneas físicas de fuerza. Pensar que algo tan insustancial como las líneas de fuerza constituían el fundamento ontológico del mundo resultaba absurdo para la imaginación materialista. Faraday le dejó a la Física el concepto de “Campo” que tanto juego ha dado en las investigaciones. Sus trabajos abrieron el camino para que, un matemático describiera mediante ocho ecuaciones vectoriales lo que era la la luz, la electricidad y el magnetismo, así llegamos a…

MAXWELL (1831-1879) Tradujo al lenguaje matemático las ideas de Faraday. En la “Teoría dinámica del campo electromagnético” (1864) Maxwell vislumbra la nueva estructura para la descripción de la realidad. Todos los efectos eléctricos y magnéticos se pueden explicar así con elegancia. Pero al final del trabajo habla sobre la luz:ecuación análoga a la de Euler para ondas sonoras. “La concordancia de los resultados parece demostrar que la luz, la electricidad y el magnetismo son manifestaciones de la misma sustancia: la luz es una perturbación electromagnética que se propaga por el campo siguiendo leyes electromagnéticas”

Prince Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie

Cursó estudios de física teórica en la Universidad de la Sorbona, así como de historia de Francia, pues pensaba utilizarlos en su carrera diplomática. A los 18 años, después de terminar un trabajo de investigación histórica, se decidió a estudiar física, doctorándose en 1924.

Fue profesor de física teórica en la Universidad de París (1928),en el Instituto Henri Poincaré, hasta 1962. Miembro de la Academia de Ciencias (1933) y de la Academia francesa (1943), Secretario permanente de la Academia de Ciencias (1942) y consejero de la Comisión de Energía Atómica Francesa (1945).

Fue galardonado en 1929 con el Premio Nobel de Física, por su descubrimiento de la naturaleza ondulatoria del electrón, conocida comohipótesis de De Broglie. Principio en virtud del cual las ondas que transportan energía pueden tener un aspecto corpuscular  y las partículas pueden tener un aspecto ondulatorio. Cuál de los dos modelos es el más apropiado dependerá de las propiedades que el modelo busca explicar. Por ejemplo, las ondas de radiación electromagnéticas deben ser imaginadas como partículas llamadas fotones, para explicar el efecto fotoeléctrico, mientras que los electrones necesitan ser imaginados como ondas de De Broglie en la difracción de electrones.

                     POINCARÉ, HENRI (1854-1912)

A Poincaré se le deben muchas cuestiones con la luz relacionadas, a él se le debe la representación geométrica del estado de polarización de una onda de radiación monocromática (esfera de Poincaré) -algunas aplicaciones de la esfera de Poincaré incluyen la polarización de la luz en cristales. También se le debe a este físico francés el llamado grupo de Poincaré. Las tensiones de Poincaré, son aquellas fuerzas no eléctricas postuladas para dar estabilidad al modelo del electrón. Debido a las dificultades que surgen al considerar al electrón como una carga puntual, es posible postular que el electrón es una distribución de carga con radio no nulo. Sin embargo, una distribución de carga eléctrica sola es inestable. En 1906, Henri Poincaré postuló una fuerza no eléctrica desconocida, ahora llamada tensiones de Poincaré, para dar estabilidad al electrón.

Hasta aquí un repaso de los personajes que han tenido curiosidad (algunos) e investigaron (otros) sobre lo que es y significa la luz en el contexto del Universo y de la vida. Muchos de ellos, llegaron a profundizar tanto en la complejidad de la luz que, nos dejaron un gran legado gracias al cual, podemos ahora, en pleno siglo XXI, utilizar aquellos conocimientos que poco a poco han sido perfeccionados para llegar más lejos.

La luz, amigos míos, es tan importante en nuestras vidas que, sin ella, no podríamos estar aquí para contarlo.

Referencias:

Trabajo de Liliana I. Perez – Física II- Dpto. de Física- Facultad de Ingeniería- UBA, basado en: Maxwell J.C., “A Treatise on Electricity and Magnetism” Dover Publications Inc. Part IV, Chapter XXI, 1954 (republicación inalterada de la versión de 1891),  Zajonc, A., “Atrapando la luz” Ed. Andrés Bello, 1994 Begbie, G. H., “La visión y el ojo” EUDEBA Colección Ciencia Joven (1977), De Broglie, L., “Materia y luz” Espasa Calpe, 1939, Galilei, G., “Dialogues Concerning Two New Sciences” (traducida al inglés por H. Crew y A. de Salvio) Dover Publications, Inc., New York. De Broglie en Wikipedia. Poincaré: Diccionario de Física de Oxford

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