¿Qué es la Luz?

         Max Planck

Para poder explicarlo, Max Planck,  al comienzo del siglo XX, postuló que para ser descrita correctamente, se tenía que asumir que la luz de frecuencia ν es absorbida por múltiplos enteros de un cuanto de energía igual a hν, donde h es una constante física universal llamada constante de Planck: E = hv.

En 1905, Albert Einstein utilizó la teoría cuántica recién desarrollada por Planck para explicar otro fenómeno no comprendido por la física clásica: el Efecto fotoeléctrico. Este efecto consiste en que cuando un rayo monocromático de radiación electromagnética ilumina la superficie de un sólido (y, a veces, la de un líquido), se desprenden electrones en un fenómeno conocido como fotoemisión  o efecto fotoeléctrico externo.

Einstein demostró que el efecto fotoeléctrico podía ser explicado asumiendo que la luz incidente estaba formada de fotones de energía hν, parte de esta energía hν₀se utilizaba para romper las fuerzas que unían el electrón con la materia, el resto de la energía aparecía como la energía cinética de los electrones emitidos:

donde m es la masa del electrón, v_máx la velocidad máxima observada, ν es la frecuencia de la luz iluminante y ν₀ es la frecuencia umbral característica del sólido emisor.

 

 

 

 

Diagrama de Feynman donde se muestra el intercambio de un fotón virtual (simbolizado por una línea ondulada y ) entre un positrón y un electrón. La necesidad de reconciliar las ecuaciones de Maxwell del campo electromagnético, que describen el carácter ondulatorio electromagnético de la luz, con la naturaleza corpuscular de los fotones, ha hecho que aparezcan varías teorías que están aún lejos de dar un tratamiento unificado satisfactorio. Estas teorías incorporan por un lado, la teoría de la electrodinámica cuántica,  desarrollada a partir de los artículos de Dirac, Jordan, Hesinberg y Pauli, y por otro lado la mecánica cuántica de de Broglie, Heisenberg y Schrödinger.

Paul Dirac dio el primer paso con su ecuación de ondas (La ecuación de Dirac de ondas relativista de la mecánica cuántica fue formulada en 1928. Da una descripción de las partículas elementales  de espín ½, como el electrón,  y es completamente consistente con los principios de la mecánica cuántica la y de la teoría de la relatividad especial. Además de dar cuenta del espín, la ecuación predice la existencia de antipartículas de),  que aportó una síntesis de las teorías ondulatoria y corpuscular, ya que siendo una ecuación de ondas electromagnéticas su solución requería ondas cuantizadas, es decir, partículas.

 

 

 

Han logrado captar la imagen de un electrón saltando de un átomo a otro. Se publicó el 18 septiembre 2011. Un electrón tarda sólo millonésimas de una mil millonésima de un segundo para escapar de una molécula huésped. “Resulta que ahora tenemos las primeras fotos de lo que es el paso inicial en casi todas las reacciones químicas. Podemos ver no sólo los átomos y los núcleos en una reacción química. Ahora incluso podemos ver a los electrones. Esas fueron las declaraciones del físico Andreas Becker, de la Universidad de Colorado en Boulder.

 

Pero sigamos con la ecuación de Dirac que, para algunos, tiene tanto mérito como la ecuación de campo de Einstein de la relatividad general. Ya que la ecuación de Dirac fue originalmente formulada para describir el electrón, las referencias se harán respecto a “electrones”, aunque actualmente la ecuación se aplica a otros tipos de partículas elementales de espín ½, como los quarks. Una ecuación modificada de Dirac puede emplearse para describir de forma aproximada los protones y los neutrones (que son fermiones),  estos últimos formados por partículas más pequeñas llamadas quarks, y que por tanto no son partículas elementales. La ecuación de Dirac presenta la siguiente forma:

 

 

 

siendo m la masa en reposo del electrón, c la velocidad de la luz,  p el operador de momento, la constante reducida de Planck,  x y t las coordenadas del espacio y el tiempo,  respectivamente; y ψ (x, t) una función de onda de cuatro componentes. La función de onda ha de ser formulada como un espinor  (objeto matemático similar a un vector que cambia de signo con una rotación de 2π descubierto por Pauli y Dirac) de cuatro componentes, y no como un simple escalar,  debido a los requerimientos de la relatividad especial. Los α son operadores lineales que gobiernan la función de onda, escritos como una matriz y son matrices de 4×4 conocidas como matrices de Dirac.

Es cierto que Paul Dirac dio el primer paso con su ecuación de ondas que aportó una síntesis de las teorías ondulatoria y corpuscular, ya que siendo una ecuación de ondas electromagnéticas su solución requería ondas cuantizadas, es decir, partículas. Sin embargo,  existen aún muchas dificultades teóricas sin resolverse, la incorporación de nuevas teorías procedentes de la experimentación con partículas elementales, así como de teorías sobre el comportamiento de los núcleos atómicos,  nos han permitido obtener una formulación adicional de gran ayuda.

 

 

Claro que, para conocer la luz fue necesario que muchas mentes intervinieran y aportaran sus pensamientos: Augustin Fresnel, Hippolite Fizeau, James Bradley, George Airy, Albert Michelson y Edward Morley y antes que ellos el mismo Newton y, por terminar no podemos dejar fuera a Einstein que marcó ese límite de velocidad en nuestro universo que está otorgado a la Luz. En 1905, Albert Eionstein dio una explicación satisfactoria con su teoría de la relatividad especial, en la que, en su segundo postulado propone que la velocidad de la luz es isótropa,  es decir, independiente del movimiento relativo del observador o de la fuente, y, marcó la imposibilidad de superar la velocidad de la luz en nuestro universo, toda vez que, a medida que un cuerpo se acerca a ese límite de 299.792.458 metros por segundo, va adquiendo masa que llegaría al infinito en el límite de esa velocidad, lo que hace imposible poder alcanzarla.

 

 

 

De la luz nos podríamos estar aquí hablando años y años sin llegar a saber lo que realmente es. Sabemos que está hecha de partículas que hemos denominado con el nombre de fotones. Decimos que un fotón es una partícula con masa en reposo nula consistente en un cuanto de radiación electromagnética y, como hemos dicho antes, es considerado como una unidad de energía  igual a  hf, donde h es la constante de Planck y f es la frecuencia de la radiación en hertzios. Sabemos que los fotones viajan a la velocidad de la luz y que son necesarios para explicar el efecto fotoeléctrico y otros fenómenos que requieren que la luz tenga carácter de partícula.

En mi ignorancia, no dejo de dar vueltas y preguntarme que, si el fotón no tiene masa pero sin embargo tiene energía… ¿No quedamos en que la energía es masa y la masa es energía (E = mc²)? ¿Cómo podemos explicar eso? Creo que no hemos caido en la cuenta del hecho cierto de que la luz, amigos míos, es el exponente más liviano de la materia pero, no por ello el más sencillo. La luz está presente en todo lo material y a veces, toma adopta formas inmateriales para poder llevar a cabo algunos fenómenos que aún no hemos sabido explicar como, por ejemplo, ¡los pensamientos! En nuestros cerebros también está presente la luz y, sin ella, no podríamos pensar.

emilio silvera

Diversas fuentes