El Mundo Antiguo y Los Presocráticos.
¿Alguna vez te has preguntado qué es la luz y por podemos ver el mundo exterior? la certeza a esa duda tardó milenios en llegar, debido a que en el mundo antiguo todos los fenómenos que no comprendía el hombre le atribuía cualidades divinas... Es voluntad de los dioses por ejemplo, este paradigma empezó a cambiar cuando en la antigua grecia apareció el pensamiento lógico. Que fue disipando los misterios de la naturaleza.
en este periodo de la historia fueron los antiguos griegos autores de las primeras dos teorías que explicaban el sentido de la vista y la naturaleza de la luz. La teorÍa de extramisión por parte de la escuela pitagórica, en síntesis postulaba que los ojos emanaban rayos que al entrar en contacto con los objetos podían ser percibidos, según Pitágoras en el interior del ojo existía una tipo flama imperceptible que iba iluminando e interactuando con los objetos, produciendo así la sensación visual.
Según Empédocles de las pupilas emanaban rayos en forma de tentáculos que iban tocando los objetos asimilando así el sentido visual al sentido táctil.
Por parte de la escuela atomista. Epicuro mencionaba los Eilodas que eran emanaciones de los objetos que al chocar con los órganos sensoriales del ojo eran percibidos, según Epicuro estas emanaciones al ser más sutiles que los átomos podían recorrer de forma casi instantánea largas distancias debido a que no tenían resistencia y que conservaban la forma y localización de los objetos al momento de ser emanados.
La Edad Media y El Primer Científico Verdadero
XV siglos después del legado griego, en la edad media entre el siglo IX Y XIII mientras europa estaba en pleno oscurantismo, oriente medio vivía la edad de oro del islam. Durante este periodo, el mundo musulmán se convirtió en el centro intelectual indiscutible de la ciencia, la filosofía, la medicina, la astronomía, el álgebra. Una de las mayores innovaciones de este periodo fueron las fábricas de papel (secreto celosamente guardado por la dinastía han) y la escritura con pluma, a diferencia de china que usaba pincel. Gracias a esto establecieron las primeras bibliotecas públicas que prestaban libros, la más grande fue la casa de la sabiduría en Bagdad destruida en el año 1258 por los mogoles, con incontables documentos históricos y libros de valor incalculable, establecieron las primeras universidades siendo la de Al-Karaouine de marruecos fundada en el año 859 la más antigua del mundo.
En este periodo de la historia vivió Abu Ali Al-Hasan Ibn Al-Haytham (965-1039) conocido como Alhazen fue un matemático, físico y astrónomo árabe de religión islámica, hizo importantes contribuciones a los principios de la óptica y a la concepción de los experimentos científicos.
Su obra monumental el Kitāb al-Manāẓir -Libro de Óptica- no solo abordó la naturaleza de la luz, sino que también introdujo un enfoque experimental que transformó la forma en que se comprendía la visión. El Libro de Óptica se compone de siete volúmenes en los que Alhazen abordó temas como la reflexión, la refracción, la dióptrica, la catóptrica, la formación de colores, la formación de imágenes y la anatomía del ojo. Alhazen estudio la luz como un rayo que se desplaza en línea recta y demostró que este es el que incide en el ojo formando el foco en la retina tal como lo postularon los filósofos atomistas, observó sombras, agujeros pequeños, no solo describió fenómenos ópticos, sino que también formuló leyes y principios que explican cómo se producen y perciben, la célebre cámara oscura, antecesora de la fotografía aparece en su texto. Cuando la luz atraviesa un orificio, proyecta una imagen invertida, 400 años más tarde Leonardo Da Vinci hizo la sugerencia que el ojo era una cámara oscura donde se proyectaba una imagen del mundo y en el siglo XVII el astrónomo Johannes Kepler hizo una explicación geométrica integral de la cámara oscura según Kepler “La visión acontece cuando la imagen de todo el hemisferio del mundo está dentro del ojo”
Alhazen comprendió que la visión no podía explicarse sólo con metáforas. Su enfoque se basó en la observación y la experimentación, fue el primero en formular hipótesis y hacer pruebas experimentales para obtener evidencia empírica lo que lo convierte en el primer científico verdadero y padre del método científico, aunque se les da el título de este a Bacon y Descartes. Europa lo redescubrió siglos después. Su Libro de Óptica pasó al latín en el siglo XIII y se volvió la chispa que encendió la revolución científica.
VII siglos después de los aportes científicos de Alhazen en el periodo conocido como la revolución científica, aparecen 3 teorías más, la teoría mecanicista, la teoría corpuscular y la teoría ondulatoria, ahora la duda no era si la luz entraba o salía del ojo, el enigma era saber que era la luz y cuál era su naturaleza.
Teoría Mecanicista De La Luz
En 1637 el filósofo René descartes presenta su obra Le Dioptrique, imaginaba un cosmos hecho de engranes invisibles. Para él no había vacío, todo estaba lleno de éteres sutiles. La luz, en esta visión mecanicista, era una perturbación instantánea que se propagaba como presión a través de ese fluido universal. La comparó con el empujón de un bastón transmitiendo presión de punto a punto con velocidad infinita, aunque fue incorrecto por qué años más tarde se conocería la velocidad finita. Pero puso a la luz dentro de un sistema mecánico, abrió la puerta a que se explicara con leyes y no con cualidades místicas.
Teoría Corpuscular De La Luz
En 1706 el celebre Isaac Newton, publica su obra Opticks: or, A Treatise of the Reflexions, Refractions, Inflexions and Colours of Light. Se inclina por el corpuscularismo basado en el átomo Epicúreo. La teoría corpuscular establece que la luz está formada por pequeñas partículas sin masa que se propagan en línea recta. Según Newton, estas partículas, o "corpúsculos", eran emitidas por los cuerpos luminosos y viajaban a gran velocidad, lo que explicaba fenómenos como la reflexión y la refracción.
Newton argumentaba que la reflexión ocurría debido al rebote de estas partículas al chocar con superficies reflectantes, mientras que la refracción se explicaba por cambios en la velocidad de las partículas al pasar de un medio a otro. Aunque esta teoría tuvo gran aceptación debido al prestigio de Newton, no era capaz de explicar fenómenos como la interferencia y la difracción de la luz.
Teoría Ondulatoria De La Luz
A finales del siglo XVII, Christian Huygens propuso la teoría ondulatoria. Según Huygens, la luz era una perturbación que se propagaba a través de un medio denominado "éter". Esta teoría explicaba fenómenos que la corpuscular no podía abordar, como la difracción, la interferencia y la polarización.
El principio de Huygens se fundamenta en la idea de que cada punto de un frente de onda actúa como una fuente secundaria de ondas esféricas. Estas ondas se combinan para formar un nuevo frente de onda, permitiendo explicar cómo la luz se propaga y cómo interactúa con obstáculos y rendijas.
La teoría ondulatoria ganó terreno en el siglo XIX gracias a los experimentos de Thomas Young y Augustin Fresnel, quienes demostraron la naturaleza ondulatoria de la luz a través de la interferencia y la difracción
El Efecto Faraday
El conocimiento acerca de la electricidad en esos tiempos estaba avanzando rápido, en cuanto al magnetismo este ya era conocido desde los filósofos griegos, ya se había observado que al acercar una brújula a un cable con corriente este la desviaba y solo sospechaban que electricidad y magnetismo estaban relacionados y los estudiaban como dos fenómenos aparte, Michael Faraday había mencionado unas “líneas de fuerza” hijo de un herrero noto que al pasar un imán por limadura de hierro esta formaba patrones, 1831 creó el disco de faraday consistia en girar un disco de cobre sobre un campo magnético y se generaba una corriente eléctrica fue el primer generador eléctrico de la historia.
14 años más tarde descubriría otro fenómeno muy interesante al pasar un haz de luz polarizada por un cristal y entre los polos un potente electroimán, al encender el electro imán el plano de polarización de la luz, rotaba. Siendo una evidencia experimental de que la luz y el magnetismo están relacionados, las aproximaciones de faraday fueron totalmente intuitivas y basadas en sus experimentos, al no tener una formación en matemáticas y la dificultad del modelo geométrico que había ideado no le permitieron encontrar unas fórmulas para explicar porque sucedia este fenómeno. Pero sus aportes fueron tan relevantes que un recién egresado de cambridge James Clerk Maxwell se encargaría de la parte teórica.
Teoría Electromagnética De La Luz
En el siglo XIX, la física estaba dominada por la idea de fuerzas que actuaban a distancia de manera aparentemente instantánea, como si el espacio intermedio no desempeñara ningún papel. En el caso de la gravitación y la electricidad, las ecuaciones describían con precisión los fenómenos observados, aunque el mecanismo de propagación permanecía oculto. En el caso del magnetismo con un comportamiento más complejo, necesitaba de un modelo conceptual que permitiera explicar estas interacciones en lenguaje matemático.
En este contexto aparece James Clerk Maxwell, miembro de la Royal Society, quien publicó una serie de artículos fundamentales. En On Physical Lines of Force intentó explicar matemáticamente las líneas de fuerza introducidas por Faraday y responder una pregunta crucial: si el magnetismo es real, ¿qué está ocurriendo en el espacio para producirlo?
Maxwell propuso un modelo mecánico del éter, imaginando el espacio lleno de vórtices microscópicos que giraban como pequeños remolinos, generando el campo magnético. Aunque nunca afirmó que estos vórtices existieran de manera literal él mismo advertía que se trataba de un modelo, este recurso le permitió expresar las intuiciones de Faraday mediante ecuaciones.
Al analizar la propagación de las perturbaciones generadas en este medio, Maxwell descubrió que su velocidad coincidía con la velocidad conocida de la luz: aproximadamente 300 000 km/s. La conclusión era inevitable, la luz es una perturbación electromagnética.
En 1865 publicó su obra culminante, A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field, donde presentó un conjunto coherente de ecuaciones hoy conocidas como las ecuaciones de Maxwell que describen el comportamiento del campo electromagnético. Estas ecuaciones establecen que:
El campo eléctrico puede originarse a partir de cargas.
El campo magnético puede originarse a partir de corrientes.
Un campo eléctrico variable en el tiempo genera un campo magnético.
Un campo magnético variable en el tiempo genera un campo eléctrico.
De este acoplamiento surge una idea profundamente nueva, una perturbación eléctrica genera una perturbación magnética, que a su vez genera otra eléctrica, propagándose en el espacio como una onda electromagnética.
Esta teoría no solo explicó de manera unificada los fenómenos eléctricos, magnéticos y ópticos conocidos hasta entonces, sino que también predijo la existencia de otras formas de radiación electromagnética. Años más tarde, los experimentos de Heinrich Hertz confirmaron estas predicciones, estableciendo de manera definitiva la naturaleza electromagnética de la luz.
Experimento de Michelson y Morley
El experimento de Michelson y Morley es una de esas rarezas gloriosas de la ciencia porque no se encontró nada y lo cambió todo, ya no se tenía duda que la luz era una onda, pero si era una onda necesitaba de un medio material de propagación como las ondas mecánicas u ondas sonoras. Ese medio era el éter luminífero concebido como la sustancia que llenaba todo el espacio
El origen mitológico del éter aparece en la Grecia arcaica en la teogonía de hesíodo. Del caos surgieron Érebo (oscuridad) y Nix (noche) de la negra noche surgieron Hemera (dia) y éter (luz celestial) dios primordial del aire divino que respiran los dioses en el olimpo y llena el espacio por encima de las nubes
En la filosofía el primero en hablar del éter en sentido naturalista fue empédocles al mencionarlo como un aire más sutil. En la cosmogonía de aristóteles el mundo supralunar (espacio exterior) no podía estar compuesto con los mismos 4 elementos corruptibles de la tierra (aire, agua, fuego, tierra) introduce la quintaesencia el éter como un elemento eterno, inmutable, perfecto, cuyo movimiento natural es circular.
Durante la Edad Media, esta idea se hereda sin grandes cambios. El éter se vuelve teológico, la materia de los cielos, el soporte de lo incorruptible.
con la revolución científica. El éter pierde su aura divina y se convierte en una hipótesis mecánica. Descartes lo imagina como un fluido sutil que llena todo el espacio y transmite movimiento mediante vórtices.
Regresa con fuerza en el siglo XIX. Para Fresnel, Faraday y Maxwell, el éter se vuelve casi inevitable. Si la luz es una onda, debe haber algo que oscile. El éter luminífero aparece entonces como un medio omnipresente, elástico, extremadamente rígido para transmitir ondas a la velocidad de la luz, pero al mismo tiempo tan sutil que no ofrece resistencia al movimiento de los planetas.
En 1887 aparece el experimento de Michelson y Morley con la intención de medir el movimiento de la tierra con respecto al éter, La herramienta fue el interferómetro de Michelson, un dispositivo que divide un haz de luz en dos trayectorias perpendiculares, las hace recorrer distancias iguales y luego las recombina.
Si la Tierra se desplazaba a través del éter, uno de los haces viajaría a favor del viento etéreo y el otro en contra o de lado. Esa diferencia de velocidades produciría un desfase observable en el patrón de interferencia. Girando el aparato, el desfase debería cambiar. La luz debía delatar al éter. El resultado fue negativo ya que no encontraron ninguna diferencia significativa entre la velocidad de la luz en la dirección del movimiento a través del presunto éter, el resultado de este experimento sentó las bases para la teoría de la relatividad especial.
Albert Einstein descartó la existencia del éter como medio privilegiado y elevó el principio de relatividad de Galileo al estatus de principio fundamental válido para toda la física. La velocidad de la luz dejó de ser una propiedad del espacio material y pasó a ser una constante universal, independiente del movimiento del observador.
Pero incluso antes de que el éter cayera definitivamente, la luz ya había comenzado a mostrar grietas en la física clásica.
¿La luz es una onda o una partícula?
Debido a que ya se había comprobado experimentalmente la naturaleza ondulatoria de la luz con el experimento de la doble rendija de Young y Fresnel, la física clásica se toparía con fallos teóricos que no podría explicar, cuando se encontro la solucion fue nacimiento de la física cuántica.
El concepto de cuantos ya había sido propuesto por planck en 1900, para resolver la catástrofe ultravioleta del cuerpo negro, al explicar la radiación emitida de un cuerpo en equilibrio térmico con el ambiente. Las predicciones de la teoría electromagnética clásica funcionaba con mediciones a bajas frecuencias, aunque implicaría que todos los objetos estarían emitiendo luz visible todo el tiempo, en cuanto a las predicciones para altas frecuencias (ultravioleta) arrojaba resultados absurdos. Los objetos deberían emitir cantidades infinitas de radiación ultravioleta. Planck descubre que el flujo de radiación se da por unidades con la ley que lleva su nombre para expresar el poder emisivo espectral de un objeto.
La teoría electromagnética concibe a la luz como una onda que son campos eléctricos y magnéticos oscilando perpendicularmente entre sí. Bajo este enfoque resultaba imposible explicar por qué se generaba electricidad al incidir luz a una placa de metal, con luz infraroja muy intensa no genera electricidad pero con luz azul apenas visible si.
En 1905 Albert Einstein explicó el efecto fotoeléctrico. Al incidir luz a un metal, los electrones solo eran expulsados si la frecuencia superaba un valor umbral, sin importar la intensidad de la luz. La energía parecía llegar en golpes, no en oleadas. Einstein interpretó la luz como un conjunto de cuantos de energía más tarde llamados fotones, cuya energía dependía exclusivamente de su frecuencia.
Los fotones tienen una energía característica determinada por la frecuencia, entre más corta sea la longitud de onda más alta será su frecuencia y por lo tanto más energética será la luz. Si un fotón es más energético que el átomo éste absorbe energía del fotón y el electrón puede ser expulsado del material. Si la energía del fotón es demasiado pequeña el electrón es incapaz de escapar de la superficie del material. Los cambios en la intensidad de la luz no modifica la energía de sus fotones.
La luz, que con Maxwell era una onda electromagnética, reveló también una naturaleza corpuscular. En la óptica moderna conviven las dos grandes herencias: la ondulatoria de Maxwell y la cuántica de Planck y Einstein. En algunos fenómenos, la luz se comporta como una onda electromagnética que se propaga, interfiere y se polariza, en otros, actúa como un flujo de cuantos de energía que interactúan de manera puntual con la materia.
Esta dualidad no es una contradicción, sino una frontera del conocimiento. La óptica contemporánea desde los sistemas de imagen, la polarización, los filtros, los láseres y las fibras ópticas, hasta la interacción de la luz con los tejidos o los sensores opera precisamente en ese límite. Cada lente, cada cristal, cada medición clínica es heredera directa de este largo camino intelectual que comenzó con preguntas filosóficas y terminó transformando la tecnología.
La historia de la luz es también la historia de nuestra manera de mirar. Y aún no ha terminado.
