Los primeros pasos modernos en el estudio de la luz

No se puede negar la fascinación que ha originado en no pocos científicos e intelectuales algo tan cotidiano en nuestras vidas como la luz. Así lo expresó Louis de Broglie en el comienzo de una conferencia dictada en 1959 referida a la luz, titulada “La luz, los quanta y la técnica del alumbrado”:

«La naturaleza de la luz, lo que varía en ella según sea intensa o débil, blanca o coloreada, la manera como se propaga sin debilitamiento notable en el vacío mismo a lo largo de las inmensas distancias de los espacios interplanetarios, el modo como esa propagación es afectada por el encuentro de obstáculos o la travesía de medios materiales, son problemas que desde hace siglos han preocupado a todos los espíritus curiosos deseosos de comprender mejor los diversos aspectos del mundo físico».

¿Qué es la luz? ¿De qué está hecha? ¿Qué propiedades tiene? Preguntas como estas han sido formuladas desde hace muchos siglos. Qué duda cabe de que nuestro conocimiento al respecto ha avanzado mucho, sobre todo gracias al giro que supuso para su comprensión el trabajo de Maxwell y su consideración como onda electromagnética. Pero lo cierto es que Maxwell no fue el primero que afirmó su carácter ondulatorio; su mérito fue otro, como ya vimos, porque, desde luego, la idea de que se tenía sobre la luz cuando se realizaron estas primeras afirmaciones sobre su carácter ondulatorio no era la que tenía Maxwell en mente, quien ‘jugaba en otra liga’, como se suele decir.

El caso es que en el imaginario de la modernidad había cierta perplejidad. Por un lado, era evidente que los rayos luminosos se propagaban de forma rectilínea, y no era difícil interpretar que algo hubiera en su interior, es decir, que la luz estuviera formada por ciertos elementos que seguían precisamente esa trayectoria. Se observaba cómo la luz seguía la misma trayectoria rectilínea que seguía cualquier proyectil que pudiéramos lanzar; y que rebotaba en un espejo igual que cualquier otro proyectil rebotaba sobre una superficie; y variaba su dirección igual que variaba la trayectoria de otro objeto al pasar de un medio a otro. A la vista de estas analogías, ¿no era más que razonable pensar que, efectivamente, la luz estaba compuesta por pequeños corpúsculos, razón por la cual su comportamiento era similar al de partículas proyectadas? De hecho, está fue la interpretación generalizada de la luz durante estos primeros pasos.

Los primeros pasos de la óptica geométrica se dieron en este sentido de la mano de Snell y Descartes, quienes enunciaron matemáticamente por primera vez las leyes de la reflexión y de la refracción de la luz.

El astrónomo holandés Willebrord Snell (1580-1626) tuvo la inquietud de profundizar en las investigaciones que en su día hiciera Ptolomeo (85-165), sobre todo en lo que se refiere a la refracción de la luz. El resultado de ello fue su famosa ley, la ley de Snell, en virtud de la cual los ángulos de incidencia y de refracción (respecto a la normal) de un rayo de luz cuando pasa del aire (en principio) a cualquier otro medio (agua, por ejemplo) es proporcional a sus senos respectivos, siendo esa constante de proporcionalidad lo que se conoce como índice de refracción, el cual depende del medio en cuestión. De modo que: sin⁡ϑ1/sinϑ2=n. Snell no se preocupó por la naturaleza de la luz, dando por supuesto lo que se consideraba por tradición, y que era que la luz estaba compuesta por partículas que provenían del Sol o de los cuerpos calientes o incandescentes. Inicialmente, en la antigüedad se pensaba que la visión se producía porque el ojo lanzaba una serie de partículas específicas que rebotaban en la superficie de los objetos no transparentes, volviendo de nuevo al ojo. Tal fue la hipótesis de Herón de Alejandría (18-62), teoría que predominó durante muchos siglos hasta que el astrónomo árabe Ibn-al Haytam (965-1039) la corrigió, afirmando lo que hemos comentado: que la luz era emitida por los cuerpos calientes (también el Sol), siendo captada por el ojo en su rebote sobre la superficie de los diferentes objetos.

El filósofo y científico René Descartes (1596-1650) sí que hizo ya mención explícita a la naturaleza de la luz, afirmando que estaba formada por corpúsculos que viajaban a una velocidad cuasi infinita, de modo que sus efectos eran prácticamente instantáneos. Ello daba lugar a una paradoja. Cuando un rayo de luz se reflejaba, la componente horizontal de la velocidad se mantenía constante, mientras que la vertical cambiaba de sentido. En la refracción se pensaba que ocurría algo parecido, pero no igual. Por razones de simetría, no había razón para pensar que se modificaría la componente horizontal de la luz, paralela a la línea de separación de ambos medios, de modo que el cambio de dirección sólo podría darse si aumentaba la componente vertical de su velocidad. Si, efectivamente, cuando la luz pasa de un medio menos refringente (como el aire) a otro más refringente (como el agua) se acerca a la normal, y la componente horizontal era la misma, ello implicaba que la componente vertical de la velocidad sería mayor, concluyendo que la luz se aceleraría al pasar del aire al agua. Claro, esto era difícil de justificar, pues parece que las partículas de que estaba formada la luz encontrarían mayor dificultad para viajar a través del agua que del aire, pero así fue cómo se interpretó este modelo.  De hecho, el mismo Newton (que se adhería a la teoría corpuscular de la luz) le dio una explicación: él pensaba que debería haber una especie de atracción entre las partículas de que estaba compuesta la luz, y el medio en el que se desplazaba; como el agua era más densa que el aire, atraía con más fuerza a las partículas de la luz, motivo por el cual la componente vertical aumentaba.

Pero pronto surgió un problema al estudiar la refracción. Desde siempre se pensaba que la luz siempre seguía el camino más corto: así ocurría, por ejemplo, en la reflexión. Sin embargo, cuando se comenzó a estudiar más científicamente la refracción, se vio que este fenómeno no cumplía aquel principio, sino que la luz seguía un camino más largo que el más corto posible. Para ir del punto A al punto B (en la figura), no sigue la luz la línea recta entre A y B, sino que hace el quiebro mediante el punto M. ¿Por qué esto era así?

En un plazo corto de tiempo, Fermat (1601-1665) demostró que ambos fenómenos, el de la reflexión y el de la refracción, se apoyaban en un principio más general (y que lleva su nombre), cuyo valor fue fundamental para la física posterior. Este principio consistía en la afirmación de que los rayos luminosos se comportan de tal manera que el tiempo que tardan los corpúsculos en llegar de un punto a otro a lo largo del rayo es mínimo. No siempre el camino más corto es el más rápido, sino que en ocasiones puede no ser así. De modo concomitante, Fermat introdujo en la ciencia de la época un modo de pensar distinto, que tiene que ver con el hecho de que haya variables que tienden a minimizarse en su comportamiento, lo cual interviene en el asunto en cuestión. Evidentemente, Fermat nunca imaginó el alcance que estos pilares iban a llegar a tener en toda la física posterior.

A lo largo del siglo XVII, sobre todo en su segunda mitad, se empezaron a observar fenómenos curiosos en el comportamiento de la luz, que no encajaban en su consideración corpuscular. Uno de ellos fue el de la doble refracción o birrefringencia; Bartholin (1616-1680) comprobó cómo, al hacer pasar un rayo de luz a través de algunos cuerpos, se desdoblaba en dos haces polarizados que lo cruzaban a distintas velocidades. ¿Por qué los mismos proyectiles luminosos poseían comportamientos diferentes cuando atravesaban el mismo medio material? Otro es el de la difracción de la luz en el borde de una superficie, o al hacer pasar la luz por un orificio muy pequeño, tal y como comprobó Grimaldi (1618-1663): las proyecciones generadas no eran las esperadas considerando únicamente un desplazamiento lineal de la luz, pues había zonas difusas en los bordes.

El caso es que no se supo interpretar muy bien a qué se debían estos fenómenos. De hecho, se comprobó que, con los conocimientos que se poseían de la luz, no se podía dar razón de ellos. Fue necesaria la aportación de un genio original de la física, Huygens, para poder ofrecer una novedosa explicación, imaginando una hipótesis aventurada, totalmente diferente de la establecida.