Cristián Huygens perfeccionó el telescopio y así descubrió
nuevas maravillas en el firmamento. La gran nebulosa de Orión, anillos
de Saturno y un satélite de este planeta, al que
Huygens llamó Titán. Fue el primero que estimó la enorme
distancia a que se encuentran las estrellas. Calculó la distancia a la
que debería llevarse al Sol para que se viera con el brillo de la estrella
Sirio, y a esa distancia supuso que se encontraba esa
estrella. En realidad, Sirio es mucho mayor y más brillante
que el Sol, por lo que la distancia estimada para Sirio resultó veinte veces
menor que la real.
La primera teoría sobre la naturaleza de la luz la formuló Huygens, al suponer
que era un fenómeno ondulatorio, similar al de las ondas sonoras o las ondas en
el agua, explicando las leyes de la reflexión y de la refracción de la luz, al
suponer que la luz viaja con menor velocidad en el agua o en el vidrio que en
el vacío o en el aire. Esta teoría, con ciertos cambios, es
válida hasta la fecha.
Issac Newton impulsó notablemente la óptica. Ingresó a
la Royal Society en 1672 por haber ideado un nuevo
telescopio de reflexión que empleaba como
elemento fundamental un espejo esférico cóncavo de menos de tres centímetros de
diámetro y quince centímetros de distancia focal que amplificaba treinta veces
(Figura 23). En la cuarta edición de su libro Opticks, menciona uno de quince
centímetros de diámetro y casidos metros de distancia focal, con amplificación
hasta de 300 veces, dependiendo del ocular usado. Newton
encontró que al pasar la luz solar por un prisma, ésta
se descomponía en los colores del
arco iris, o sea que la luz blanca era una mezcla de colores. Las lentes
empleadas en los telescopios de Galileo y Huygens se comportan como prismas y descomponen la luz en diversos
colores, produciendo imágenes defectuosas Esto se corrige en los telescopios de
reflexión y por eso los grandes telescopios modernos (como los de San Pedro Mártir, en Baja
California Norte, y el de Cananea, México) son de reflexión (Figura 24). Newton creía que no se podían corregir los defectos cromáticos de las
lentes. De acuerdo con la ley de la refracción, al pasar un rayo de luz blanca del
aire al vidrio se quiebra, alejándose de la normal a la superficie de
separación. Al refractarse, la luz se descompone en
los colores del
arco iris, o sea que no se quiebra igual el rojo que el violeta. Newton no consideró que
existen muchos tipos de vidrios y que cada uno de ellos descompone la luz blanca en forma diferente.
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Figura 23. Esquema de uno de los
telescopios construidos por Newton.
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Figura 24. (a) Maquinado del espejo de dos metros de
diámetro en el Instituto de Astrofísica, Óptica y Electrónica de Puebla,
México, para el telescopio de Cananea.
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Figura 24 (b) Telescopio con espejo de dos metros de diámetro
de San Pedro Mártir, Baja California Norte.
Treinta años después de la muerte de Newton, John Dollond demostró que
empleandocombinaciones de lentes de diferentes tipos de vidrios se podía
reducir notablemente la aberración cromática (Figura 25). Actualmente,
todos los lentes de las cámaras fotográficas, microscopios, telescopios de
refracción y en general de todos los instrumentos ópticos, se construyen con
corrección cromática.
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Figura 25. Corrección cromática
lograda empleando dos o más lentes de diferentes tipos de vidrio.
En oposición a la teoría ondulatoria de la luz de
Huygens, Newton
desarrolló la teoría corpuscular, según la cual los objetos luminosos emiten
partículas o corpúsculos luminosos. La razón que daba era que la luz viaja en línea recta, como lo demuestra el hecho de que un objeto
iluminado produce sombras. Las ondas sonoras, en cambio, dan vuelta alrededor
de los obstáculos que encuentran, de manera que uno puede oír un ruido que se produce a la vuelta de una esquina.
Grimaldi, Young y Fresnell encontraron que la luz sí
se desvía un poco alrededor de los obstáculos que encuentra, lo que es difícil
de explicar en una teoría corpuscular.
Para explicar la ley de la refracción de la luz, Newton necesitaba que la
luz se propagara más aprisa en el agua que en el aire, que era lo opuesto a lo
que necesitaba la teoría ondulatoria de Huygens. Se tuvo que esperar dos siglos
para que el francés Foucault midiera la velocidad de la luz
en el agua y le diera la razón a la teoría ondulatoria de Huygens.
Olaus Roemer (1644-1710). Astrónomo danés. Fue la
primera persona que midió la velocidad de la luz.
Galileo al descubrir los satélites deJúpiter observó que éstos se movían con
precisión cronométrica, tanto que él trató de usarlos como un reloj de
precisión que pudieran usar los marinos para determinar en altamar su posición
geográfica.
Al girar en sus órbitas, los satélites son eclipsados por Júpiter y vuelven a aparecer.
Roemer observó con gran sorpresa que cuando la Tierra, al moverse en su órbita,
se iba acercando a Júpiter, los eclipses llegaban progresivamente antes de lo
esperado y cuando se iba alejando, los eclipses se retrasaban. La explicación
de Roemer fue que cuando la Tierra y Júpiter se encuentran lejos, la luz que emiten sus satélites tarda más en llegar que cuando
están cerca. De estas medidas obtuvo Roemer la velocidad con que se propaga la luz en el espacio.
Anteriormente hablamos de cómo Galileo y su ayudante trataron de medir la
velocidad de la luz lanzándose señales luminosas desde
dos colinas próximas y fallaron en su intento. Roemer encontró la manera de
observar señales luminosas que le eran enviadas en tiempos precisos a través de
una enorme distancia como es el diámetro de la órbita de
la Tierra. Las 'dos colinas' empleadas por Roemer le permitieron
encontrar que la luz se propaga con una velocidad de
227 000 kilómetros por segundo. Las modernas determinaciones nos dan un valor de 299 792 kilómetros por segundo, pero la medida
de Roemer no fue tan mala para ser la primera.
Roemer expuso su descubrimiento en 1676 en una reunión de la
Academia de Ciencias de París. En l681 fue nombrado astrónomo real del
rey Christiaan V de Dinamarca.Tomas Young (1773-1829). Físico
inglés. Después de los trabajos de Huygens y Newton, el avance de la
óptica fue insignificante durante más de un siglo. El
gran prestigio de Newton
hizo que la teoría corpuscular fuera la que contara con una mayor aceptación
entre los físicos de esa época y que la teoría ondulatoria de Huygens se le
diera menos importancia.
El mejor argumento en contra de la teoría ondulatoria era que la luz producía o luz o sombra y que por lo tanto no era como las ondas sonoras que daban vuelta alrededor de los
obstáculos que encontraba, o sea que se comportaba como un haz de partículas.
Un físico italiano, Francisco Grimaldi (1618-1663),
haciendo pasar un haz luminoso por dos pequeños orificios, uno después de otro,
había encontrado que la luz se desviaba un poco, produciendo una serie de
anillos y colores. A este fenómeno lo llamó difracción
de la luz. Estos estudios tuvieron poca resonancia en su tiempo, mas ciento
cincuenta años después los trabajos de Young, Arago y Fresnell, hicieron ver la
importancia de este descubrimiento.
A Young le interesaba el estudio del sonido y había observado que
cuando un sonido de cierta frecuencia o tono pasaba por dos orificios, a veces
se reforzaba y a veces casi no se escuchaba. Esto lo
explicaba haciendo ver que las ondas sonoras que provenían de los orificios en
ciertos lugares se reforzaban y en otros se anulaban, o sea que tenían
interferencias constructivas y destructivas. Este fenómeno puede verse
materialmente si se realiza con ondas de agua en un
tanque.
Loimportante fue que Young lo realizó con ondas luminosas. Hizo pasar la luz a través de dos pequeños orificios y observó en una
pantalla franjas alternadas de luz y de sombra, como en el caso de las ondas sonoras o las
ondas de agua. Estos estudios no fueron bien vistos por los científicos
ingleses porque estaban en contra de la teoría corpuscular de Newton, y
correspondió a los franceses Fresnell y Arago desarrollar la teoría ondulatoria
de la luz.
Agustín Juan Fresnell (1788-1827). Físico e ingeniero
francés. Gran parte de su vida trabajó como ingeniero de
caminos en Francia. Por oponerse al regreso de Napoleón de la isla de Elba
perdió su empleo y, durante los cien días que duró su despido, se interesó por
la óptica y la desarrolló en forma notable, construyendo la estructura
matemática completa de la teoría ondulatoria de la luz.
Fresnell fue para la óptica lo que Newton para la mecánica, claro que hubo
otros gigantes que lo precedieron, como Huygens, que inició y construyó las
bases de esta teoría siglo y medio antes, así como Grimaldi y Young que
observaron la difracción y la interferencia de la luz. Huygens supuso que las
ondas luminosas eran longitudinales, como las sonoras en el aire, en cambio
Fresnell supuso a las ondas transversales, es decir que las vibraciones eran
perpendiculares a la dirección de propagación de la onda. Existía un fenómeno
que no podía explicarse ni por la teoría corpuscular ni por la teoría
ondulatoria con vibraciones longitudinales y era que si se miraba un escrito a
través de un cristal de espato de Islandia(calcita),
las letras se veían dobles.
Como las vibraciones transversales pueden darse
en diferentes direcciones o planos, la luz al pasar del aire al espato de Islandia puede ser refractada en
dos ángulos diferentes, porque uno de los rayos puede consistir en ondas que
oscilan en un plano (luz polarizada) y el otro
rayo en ondas que oscilan en un plano
perpendicular al primero. La luz polarizada tiene
grandes aplicaciones en la actualidad y fue empleada con gran éxito por Pasteur
en sus estudios de química orgánica.
En 1815 presentó los resultados de sus investigaciones a la Academia de
Ciencias de París y encontró fuerte oposición por parte de los grandes
científicos: Laplace, Biot y Poisson. Poisson objetó que si esa teoría fuera
cierta, la sombra de un disco debería tener un punto
brillante en el centro,
lo que consideraba absurdo. Los experimentos demostraron que
no tenía nada de absurdo y que Fresnell tenía razón. En 1818 se le
otorgó un premio de la Academia de Ciencias y los
jueces que votaron en su favor en forma unánime fueron los que antes lo
criticaron: Laplace, Biot y Poisson.
Fresnell diseñó las lentes que llevan su nombre que se usan
en los faros y que son más eficientes que los espejos esféricos.
La mayor dificultad de la teoría ondulatoria de la luz
fue encontrar el medio en que se realizaban las Vibraciones. Las
ondas sonoras se propagan en el aire o en los líquidos o sólidos. Los
partidarios de la teoría ondulatoria postularon la existencia del éter, que llenaba
todo el espacio incluyendo la zona interplanetariadonde existe prácticamente un
vacío absoluto. Las vibraciones del éter producían las ondas
luminosas. Sólo los sólidos pueden transmitir ondas
transversales, por lo que el éter, que llenaba todo, debía tener propiedades
elásticas difíciles de entender y aceptar. La eliminación del
éter tuvo que esperar al desarrollo de la teoría electromagnética de la luz de
Maxwell y de la teoría de la relatividad de Einstein.
En las Mémoires de L'Academie Royale des Sciencies de L'Institut de France,
volumen V, 1826, Fresnell dice
|Grimaldi fue el primero en observar el efecto que un rayo de luz produce en
otro rayo. Recientemente el |
|distinguido doctor Tomás Young lo ha demostrado por medio de un sencillo e ingenioso experimento en el que |
|se producen franjas luminosas por el encuentro de rayos deflectados en dos
lados de un objeto opaco. |
|Bandas luminosas más finas y brillantes pueden obtenerse cortando dos rendijas
paralelas y próximas, en un |
|cartón u hoja de metal y colocando la pantalla así preparada enfrente de un
punto luminoso. Nosotros podemos|
|observar por medio de una lupa colocada entre el cuerpo opaco y el ojo, que la
sombra está llena de un gran |
|número de brillantes franjas de colores por tanto tiempo como la luz ilumine a ambas rendijas |
|simultáneamente, pero que desaparece cuando la luz se elimina de una de las
rendijas. |
|Si permitimos que dos rayos de luz de la misma fuente
luminosa se reúnan bajo un ángulo pequeño, al ser |
|reflejados por dos espejosmetálicos obtendremos también bandas similares con
colores más puros y brillantes |
|que antes. |
En tiempos de Fresnell se empleaban en los experimentos rayos solares que se
llevaban al laboratorio por medio de espejos y se descomponían en rayos de
colores por medio de prismas. Hoy en día, con los rayos láser (del
inglés, Light Amplification by Stimulated Emision of Radiation) se dispone de
haces de luz monocromática (de un color) de gran intensidad y casi paralelos.
Actualmente se puede lanzar un rayo láser a una región
de la Luna y observar la luz que se refleja a la Tierra.
Con un aparato que emite rayos láser podemos producir
bellos anillos de interferencia de la luz (Figura 26). El rayo se hace pasar
por un orificio hecho en un cartón, se refleja
posteriormente en un espejo en el que se depositó polvo de grafito de un lápiz,
para dispersar un poco el rayo láser. Al regresar el rayo y pasar nuevamente
por el orificio produce el espectro de interferencia en el cartón. La luz del
rayo que usamos es de un rojo intenso, lo mismo que los anillos brillantes. El rayo láser se hizo más visible por medio de humo de cigarro.
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Figura 26. Anillos de interferencia de la luz producidos al pasar un rayo láser (de ida y vuelta) por
la superficie exterior de un espejo que tenía polvo de grafito para dispersar
un poco el rayo.
José von Fraunhofer (1787-1826). Físico alemán.
Estudió las diferentes propiedades ópticas de los vidrios,dependiendo
de su proceso de fabricación. Fue el primero en usar
rejillas de difracción (múltiples finos alambres paralelos colocados en un plano), que sustituyen a
los prismas al descomponer la luz blanca en un espectro de colores. Desde ese tiempo se fabrican finas rejillas de difracción rayando
placas de vidrio o metal con finos cortes de líneas paralelas.
Haciendo pasar la luz del Sol, primero por una rendija
y después por un prisma, observó que el espectro solar está cruzado por
numerosas líneas oscuras; él observó más de seiscientas.
De la misma forma observó que la luz de las estrellas
tiene también líneas oscuras. Correspondió a Kirchhoff, medio siglo después,
emplear estas líneas como un poderoso instrumento en las
investigaciones físicas, químicas y astronómicas.
Armando Fizeau (1819-1896). Físico francés. Fue el
primero en medir la velocidad de la luz en la Tierra
empleando fundamentalmente el método ideado por Galileo pero altamente
perfeccionado. Antes que él, Roemer y Bradley habían medido
esta velocidad empleando cada uno métodos astronómicos diferentes.
En 1849, Fizeau colocó en una colina una rueda dentada que giraba rápidamente;
en otra colina, separada unos ocho kilómetros, colocó un
espejo e hizo pasar un haz de luz a través de los dientes del disco giratorio que se reflejó en el
espejo y regresó a la rueda dentada después de recorrer diez y seis kilómetros.
Si se va aumentando la velocidad de la rueda dentada,
habrá un momento en que no se vea la luz reflejada porque un diente lo
impedirá. La velocidad de la luz seencontró dividiendo
la distancia recorrida (diez y seis kilómetros) entre el tiempo empleado por un
diente de la rueda en ocupar el hueco próximo. El valor hallado fue un cinco por ciento mayor al que ahora se considera como más preciso (Figura
27).
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Figura 27. (a) Método de Fizeau para determinar la
velocidad de la luz, empleando una rueda dentada que giraba a gran velocidad
Figura 27. (b) Método de Foucault para determinar la velocidad de la luz en el aire y en el agua, empleando un espejo que giraba
a gran velocidad mientras que la luz va y viene del
tubo, el espejo rotatorio gira un ángulo G y el rayo B a C forma un ángulo 2G,
con la dirección del
rayo inicial.
En el caso de las ondas sonoras, a cada tono corresponde una
frecuencia (número de oscilaciones cada segundo). A un
tono agudo, una frecuencia alta y a un tono grave, una baja.
Doppler observó (1842) que el silbato de un tren tenía
un tono más agudo (mayor frecuencia) cuando se acercaba, que cuando se alejaba.
En la actualidad, con tantos automóviles tocando sus bocinas al acercarse y
alejarse de nosotros, todos hemos observado este
fenómeno.
Teniendo en cuenta que la luz es, como el sonido, un fenómeno ondulatorio, a
cada color le corresponde una frecuencia. Al rojo una
frecuencia menor, al violeta mayor y frecuencias intermedias a los colores
intermedios el arco iris.
Fraunhofer había encontrado que la luz del Sol y las
estrellas al observarse a través de una rendija y un prisma (espectroscopio)
tenían una serie de líneas oscuras y que acada una correspondía una frecuencia
definida.
Fizeau hizo ver que el efecto Doppler también debería producirse con las ondas
luminosas y que si una estrella se aleja de nosotros la posición de las líneas
del espectro debía de moverse hacia el rojo (disminuyendo su frecuencia) y al
acercarse, correrse hacia el violeta. Este efecto ha sido una
arma poderosa para estudiar el Universo que nos rodea.
Juan Bernardo Foucault (1819-1868). Físico francés.
Colaboró con Fizeau en la determinación de la velocidad de la luz, por medio de la rueda dentada, y poco tiempo después
desarrolló su propio método.
Foucault sustituyó la rueda dentada por un espejo
rotatorio. Se envía un haz luminoso al espejo
rotatorio y durante un corto instante, cuando tiene una posición adecuada, la luz
reflejada se dirige al espejo fijo que la regresa nuevamente al espejo
rotatorio. Al llegar nuevamente al espejo rotatorio, éste habrá girado un cierto ángulo y se reflejará en una dirección diferente a
la dirección en que se inició el experimento. Con estas medidas, Foucault midió
la velocidad de la luz casi con el valor que se
considera como
el más exacto. Además, con este método no se requiere
que el espejo fijo se encuentre muy lejos del espejo rotatorio y así pudo determinar
la velocidad con que la luz se propaga en el agua.
De acuerdo con la teoría ondulatoria de la luz, ésta
debe propagarse más lentamente en el agua que en el aire, y de acuerdo con la
teoría corpuscular, al contrario. Foucault encontró que la
teoría ondulatoria era la correcta.
Foucaultse hizo famoso por haber ideado el péndulo que
lleva su nombre y con él demostró que la Tierra gira alrededor de su eje (véase
el capítulo sobre mecánica).
Gustavo Roberto Kirchhoff (1824-1887). Físico alemán.
Observó que al colocar una sal o mineral en una flama intensa, la sustancia
emite luz que, al ser analizada con un espectroscopio
(una rendija, un prisma y un anteojo), producía un espectro formado por
numerosas líneas de colores. De esta experiencia dedujo que cada elemento
químico, cuando se le calienta hasta hacerlo incandescente, emite un espectro de líneas de colores característico. Esto es que
si un experto mira esa combinación de líneas puede
decir de inmediato de qué elemento se trata (como
si estuviera leyendo oro, plata, sodio, etc.), como
si viera la huella digital o firma del
elemento (Figura 28). Notó que los vapores de sodio
producidos al quemar sal común (cloruro de sodio) en una flama intensa,
producen una línea muy notable por ser doble, amarilla y muy intensa. Al
observar la luz solar vio que esa misma raya doble
existía en la región amarilla del espectro,
pero como línea
oscura. Ésta ya había sido observada por Fraunhofer, quien la
llamó línea D.
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Figura 28. Espectros ópticos de varios elementos que
empleó Kirchhoff para determinar los elementos que contenían el Sol y las
estrellas a las líneas más notables, entre ellas la
característica línea D del sodio.
La explicación de Kirchhoff para explicar las líneas oscuras, que confirmó con
experimentos, fue que al pasar la luz por el vapor de
unelemento, éste absorbe intensamente los colores característicos de las líneas
espectrales que emite. Así, del
espectro continuo que el Sol emite como
cuerpo incandescente, al pasar por la atmósfera solar formada por vapores de
diversos elementos, se absorben los colores característicos de dichos
elementos, produciéndose las rayas oscuras.
El método desarrollado por Kirchhoff es una de las armas más poderosas que
existen actualmente para averiguar los elementos que contiene cualquier
sustancia, tanto en la Tierra como en las estrellas y otros
objetos de Universo.
Con su método destruyó la afirmación categórica de Augusto Comte, quien pocos
años antes había dicho que la constitución de las estrellas era un ejemplo de la clase de información que la ciencia era
incapaz de obtener.
El banquero de Kirchhoff, al conocer este trabajo,
comentó: 'De que nos sirve saber que en el Sol hay oro, si no lo podemos
traer a la Tierra.' Cuando Kirchhoff fue premiado por su trabajo con
cierta cantidad de monedas de oro, se las enseñó a su banquero y le dijo:
'Éste es oro del Sol.'
El método de Kirchhoff permitió encontrar nuevos elementos tanto en el Sol como
en la Tierra. Por ejemplo, el gas helio (del griego hélios, Sol) fue
descubierto en 1868 en la atmósfera solar. El cesio, el rubidio y el indio,
fueron descubiertos en minerales terrestres.
