Luz
- 1. LICEO BENJAMÍN DÁVILA LARRAIN DEPARTAMENTO DE FISICA NIVEL 1º UNIDAD DE LUZ Y COLOR LAS IDEAS DE NEWTON SOBRE LA NATURALEZA DE LA LUZ Y LOS COLORES DE LOS CUERPOS • Aun cuando los trabajos de Newton relacionados con la Mecánica hayan sido los que le dieron mayor renombre, los estudios y teorías que elaboró en el campo de la óptica también fueron muy importantes. En su obra, "Opticks", publicada en 1704, Newton presenta un estudio bastante amplio acerca de los fenómenos luminosos. Dos de las ideas que Newton defiende en este tratado se presentan y comentan a continuación: su concepto sobre la naturaleza de la luz y una teoría acerca del color de los cuerpos. • Desde la Antigüedad algunos filósofos griegos creían que la luz estaba constituida por pequeñas partículas, las cuales se propagaban en línea recta con una velocidad muy grande. Estas ideas prevalecieron durante varios siglos hasta que, alrededor de 1500, Leonardo da Vinci, al advertir la semejanza entre la reflexión de la luz y el fenómeno del eco, presentó la hipótesis de que la luz, al igual que el sonido, podría ser un tipo de movimiento ondulatorio. Estas dos concepciones acerca de la naturaleza de la luz, originaron en el siglo XVII dos grandes corrientes del pensamiento científico: una de ellas, encabezada por Newton, propugnaba la idea de que la luz estaba constituida por partículas (modelo corpuscular) y la otra, representada por el físico holandés Christian Huyghens#, defendía la hipótesis de que la luz era una ondulación (modelo ondulatorio). Esta división de las opiniones provocó una intensa polémica entre estos dos eminentes científicos, que se volvió célebre en la historia de la física. El esclarecimiento de esta controversia sólo se alcanzó en el siglo XIX, muchos años después de. la muerte de Huyghens y de Newton. • Tratando de justificar su modelo corpuscular, Newton llamó la atención hacia el hecho de que dos esferas pequeñas, al chocar en forma elástica contra una superficie lisa, se reflejan de manera que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión, exactamente cómo sucede con la luz. Por lo tanto, en lo que respecta al fenómeno de la reflexión, es válido considerar un haz de luz formado por un conjunto de partículas que se reflejan elásticamente al encontrar una superficie lisa .
- 2. Para describir cómo explicaba Newton el fenómeno de la refracción observa la siguiente figura. Cambia de dirección cuando pasa de un medio a otro (se refracta). En ella, un haz luminoso que se propaga en aire (medio 1), se refracta al penetrar en el agua (medio 2), acercándose a la normal, como ya sabemos. De acuerdo con Newton, esto se debe a que las partículas que constituyen el haz, cuando se aproximan al agua, son solicitadas por una fuerza de atracción F, lo cual provoca un cambio en la dirección del movimiento de estos corpúsculos Por lo tanto, la acción de esta fuerza sobre las partículas sería responsable de la refracción del haz luminoso. En otras palabras, de acuerdo con el modelo corpuscular de Newton la velocidad de la luz en el agua debe ser mayor que en el aire. En aquella época no fue posible comprobar si tal conclusión era correcta, pues no se conocían métodos capaces de medir la velocidad de la luz con la suficiente precisión. • El modelo ondulatorio defendido por Huyghens, también pudo explicar en forma satisfactoria la reflexión y la refracción de la luz; es decir, como veremos en el capítulo siguiente, una onda cualquiera se refleja y se refracta siguiendo las mismas leyes de la reflexión y la refracción de un haz luminoso. Así pues, las dos teorías relacionadas con la naturaleza de la luz parecían igualmente válidas, y era muy difícil votar por alguna de ellas. Pero a principios del siglo XIX fue posible observar en la luz el fenómeno de la interferencia (que se estudiará más adelante). Como la interferencia es un fenómeno característico del movimiento ondulatorio, el hecho de poder observarlo con haces luminosos resulta ser una evidencia sumamente favorable para el modelo ondulatorio. A pesar de ello, debido al gran prestigio de Newton, el modelo corpuscular siguió siendo aceptado por una parte significativa de la comunidad científica de la época (principalmente en Inglaterra). En 1862, un acontecimiento importante daría fin a esta disputa que se había prolongado por más de 150 años. En dicho año el físico francés Foucault logró medir la velocidad de la luz en el agua, comprobando que su valor era menor que en el aire. La teoría corpuscular de Newton, como ya vimos al explicar la refracción, aseguraba exactamente lo contrario. De esta manera, las ideas de Newton acerca de la naturaleza de la luz tuvieron que ser rechazadas definitivamente, pues llevaban a conclusiones que estaban en desacuerdo con los resultados experimentales. • El primer trabajo científico que publicó Newton (en 1672), exponía sus ideas acerca de la naturaleza de los colores. La interpretación que daba en este trabajo a la descomposición de la luz blanca, así como su teoría sobre los colores de los cuerpos, siguen siendo aceptadas incluso en la actualidad, contrariamente a lo que sucedió con su modelo corpuscular de la luz.
- 3. Mucho antes de la época de Newton, ya se conocía el hecho de que la luz blanca, al atravesar un prisma de vidrio, produce un haz de colores. En aquella época se creía que la luz blanca (proveniente del Sol) era una luz pura, y que la aparición de las franjas de colores, se debía a impurezas recibidas por el haz al atravesar el vidrio. Mientras trabajaba en el tallado de algunas piezas de vidrio para sus estudios de óptica, Newton elaboró un prisma triangular, y realizó el famoso experimento de la descomposición de la luz blanca, acerca del cual ya había oído hablar. Entonces, describió su experimento con las siguientes palabras: ". . . teniendo a oscuras mi habitación, hice un pequeño orificio en la ventana, a fin de dejar entrar una cantidad adecuada de luz solar. Coloqué el prisma frente al orificio, de manera que la luz al refractarse incidiera en la pared opuesta. Fue muy agradable observar los colores vivos e intensos que allí se proyectaban. . ." Newton empleó por vez primera la palabra latina spectrum para denominar este conjunto de colores. . Como no estaba de acuerdo con la idea de que los colores eran producidos por impurezas introducidas en la luz blanca, realizó un experimento que mostró la falsedad de esta antigua teoría: Dejando pasar solamente uno de los colores del espectro a través de un segundo prisma, Newton comprobó que este haz luminoso salía del mismo sin sufrir ninguna alteración. Concluyó entonces que un prisma no modifica en nada el haz luminoso que pasa a través de él. Al intentar explicar adecuadamente el fenómeno, postuló la hipótesis de que la luz blanca no es un color puro, como hasta entonces se pensaba. Por el contrario, debía ser el resultado de la superposición o mezcla de todos los colores del espectro. Al pasar por el prisma, la luz blanca se descompone, porque cada color se refracta según un ángulo distinto. • En la misma obra en que presentó esta idea relacionada con la composición de la luz blanca, Newton desarrolló un estudio acerca de los colores de los objetos. Con sus propias palabras, Newton afirmaba: "Los colores de todos los cuerpos de la naturaleza se deben sencillamente al hecho de que reflejan la luz de cierto color en mayor cantidad que la de otros colores." Esto significa, como vimos, que un cuerpo verde iluminado con luz blanca, se ve de tal color porque absorbe gran parte de los demás colores que constituyen la luz blanca, y refleja preferentemente la luz verde. La teoría de los colores de Newton encontró una violenta oposición por parte de varios científicos de la época, particularmente del físico inglés Robert Hooke. Estas objeciones ocasionaron grandes sinsabores a Newton, quien para evitar verse envuelto en futuras polémicas, resolvió no divulgar más sus investigaciones. Esto hizo que permaneciera varios años en un aislamiento casi total. No fue sino hasta 14 años más tarde, por insistencia de su amigo Edmundo Halley, que Newton decidió publicar su famosa obra "Principios Matemáticos de la Filosofía Natural". Pero, para dar a conocer su trabajo "Óptica", el cual contenía sus teorías acerca de las propiedades de la luz, esperó hasta la
- 4. muerte de Hooke. En realidad, este último falleció en 1703, y la obra de Newton no fue editada sino hasta 1704. Luego de leer comprensivamente conteste las siguientes preguntas: 1. ¿Cuáles son las dos teorías sobre la naturaleza de la luz? 2. Estas dos teorías originaron en el siglo XVII dos corrientes del pensamiento científico que fueron encabezadas por dos científicos muy importantes, ¿quiénes fueron ellos? 3. Según Newton un haz de luz que se propaga en el aire, se refracta al penetrar en el agua acercándose a la normal. También según lo que el pensaba, las partículas aumentan su velocidad al penetrar en el agua, es decir que v2>v1. Según lo que Ud. a estudiado hasta el momento, ¿es todo esto correcto? 4. El modelo de Huyghens, ¿pudo explicar en forma satisfactoria la reflexión y la refracción de la luz? 5. ¿De qué movimiento es característico el fenómeno de interferencia? 6. En 1862 Foucault logró medir la velocidad de la luz en el agua, ¿qué resultado obtuvo y qué consecuencias tuvo? 7. ¿Qué ideas y teorías de Newton siguen siendo aceptadas hoy en día? 8. ¿Qué le sucede a la luz blanca al atravesar un prisma de vidrio? 9. La luz blanca, ¿es pura? 10. ¿Cómo demostró Newton que los colores no eran producidos por impurezas introducidas en la luz blanca? 11. ¿De qué es el resultado la luz blanca? Explique 12. ¿A qué se deben los colores de todos los cuerpos según Newton?