OPTICA ONDULATORIA
Todos los movimientos ondulatorios producen fenómenos análogos. Por ejemplo, el sonido se refleja en paredes sólidas en forma análoga a la reflexión de la luz en espejos; este fenómeno se llama eco. El sonido da la vuelta a obstáculos en forma análoga a la difracción de la luz; por esto se pueden oír conversaciones alrededor de una esquina, y de una habitación a otra si una puerta intermedia está abierta. El sonido también produce fenómenos de interferencia. Cuando suenan dos notas musicales muy parecidas se escuchan fácilmente modulaciones de su intensidad, llamadas batimientos, que resultan de la interferencia de las ondas que las notas producen. Estas analogías entre fenómenos ópticos y acústicos fueron demostradas por los experimentos con ranuras realizados por Thomas Young hacia 1815 y dieron una gran fuerza a la hipótesis de que la luz, como el sonido, es un fenómeno ondulatorio que resulta de ondas esféricas que se producen en cada punto de los cuerpos luminosos y se propagan en los medios transparentes, como el aire, el agua, el vidrio o el vacío. Ésta es la hipótesis fundamental de la óptica ondulatoria y con ella es posible entender fenómenos ópticos inexplicables con la teoría de rayos, sin que sea siquiera necesario en muchos casos precisar la naturaleza de las ondas luminosas; es decir, sin que sea necesario precisar la propiedad del medio que es perturbada y que se propaga en forma de ondas luminosas. Por ejemplo, se pueden calcular los ángulos de desviación de la luz difractada por una ranura conociendo solamente la anchura de la ranura y la longitud de onda de la luz, sin que sea necesario precisar la propiedad del medio que constituye las ondas luminosas. Así, el ángulo de desviación de la luz que forma la primera imagen lateral se calcula con la fórmula =38.2 (L/a); siendo "L" la longitud de onda de la luz y "a" la anchura de la ranura. Desde luego, también se puede calcular la longitud de onda de la luz difractada y de la anchura de la ranura utilizando la fórmula anterior en la forma L = ( / 38.2)a. Por ejemplo, si la anchura de la ranura es de 0.001cm y el ángulo de desviación de la luz que forma la primera imagen lateral es de1.9º, la longitud de onda de la luz es L = (1.9º/ 38.2) X 0.001=0.00005 cm. De manera similar Thomas Young midió la longitud de onda de la luz de cada color del arco iris encontrando que son diferentes. La de la luz roja, por ejemplo, es de unos 0.000075 cm; la de la amarilla a marilla es de unos 0.000060 cm y la de la luz violeta de 0.000040 cm.¡entre 100 000 y 1 000 000 de veces más pequeñas que las longitudes de onda de las ondas acústicas! La frecuencia de las ondas luminosas se pudo calcular también fácilmente porque la velocidad de la luz, 300 000 km/s=30 000 000 000 cm/s, ya era conocida. Para la luz amarilla la frecuencia resulta ser de 30 000 000 000 cm/s)/(0.000,060cm) = 50 000 000 000 000 Hz. Esta frecuencia es miles de millones de veces
mayor que la de las ondas acústicas. Las cantidades muy, muy pequeñas y las muy, muy grandes hacían su aparición en la física. Los experimentos de Thomas Young dieron una gran fuerza a la hipótesis ondulatoria de la luz pero no fueron su origen. Las ideas ondulatorias de la luz surgieron simultáneamente con las corpusculares de Newton, muy posiblemente inspiradas en las ideas cartesianas de la "especie de presión" propagadas en un medio. Su principal proponente fue el físico holandés, contemporáneo de Newton, Hans Christian Huygens, alrededor de 1670. Sin embargo, Huygens dedicó su teoría ondulatoria de la luz principalmente a explicar problemas de reflexión y de refracción de la luz como los llamados fenómenos de refracción atmosférica; por ejemplo, la aparición de espejismos, el parpadear de las estrellas o la aparente deformación del disco de la Luna o del Sol cuando están cerca del horizonte. Huygens explicó estos fenómenos a partir de la hipótesis ondulatoria principal de que un punto luminoso produce ondas esféricas y de que éstas estimulan la vista sólo si la mirada se dirige a lo largo del radio de las ondas esféricas que llegan al ojo; o sea, sólo si se dirige la vista hacia el punto luminoso. Esta segunda parte de la hipótesis es necesaria para incluir la propagación rectilínea de la luz (Figura 26). En muchos fenómenos las ondas cambian de forma por distintas razones y dejan de ser esféricas, por lo que no se puede hablar del radio de la esfera. Se supone entonces que la onda estimula la vista si la mirada se dirige a lo largo de la perpendicular a la zona de perturbación que está en contacto con el ojo (Figura 27). Esto no cambia la hipótesis principal porque si la onda es esférica, la perpendicular y el radio tienen la misma dirección.
Figura 26. La hipótesis principal de la óptica ondulatoria es que cada punto luminoso produce ondas esféricas.
Figura 27. Si la mirada se dirige en dirección perpendicular a las zonas de perturbación se estimula el sentido de la vista. En las ondas esféricas esta dirección coincide con un radio de la esfera.
Para explicar los fenómenos de refracción atmosférica se hacen diagramas en los que las ondas esféricas se representan mediante círculos concéntricos centrados en el punto luminoso que las produce (Figura 28). La distancia entre círculos consecutivos representa la longitud de onda a una cierta escala de dibujo; por ejemplo, 1cm podría representar una longitud de onda de 0.000050cm.
Figura 28. La separación entre las zonas esféricas y la longitud de onda cambia de un lugar a otro si la velocidad de propagación cambia.
Si la longitud de onda cambiara en algún lugar representado en el diagrama, por ejemplo, porque cambiara la velocidad de propagación de las ondas, la distancia entre los círculos concéntricos también se alteraría en los puntos del diagrama correspondientes a ese lugar.
n espejismo es la reflexión aparente de cuerpos en el suelo, como si existiera un espejo de agua (Figura 29). Se observa en días muy soleados, cuando el aire que está en contacto con la superficie terrestre se calienta mucho más que el que está en capas superiores. El aire caliente de abajo se dilata y se hace menos denso que el aire más frío de arriba. Esto, a su vez, disminuye continuamente el índice de refracción del aire desde las capas superiores hasta la que está en contacto con el suelo. La luz emitida desde un objeto hacia el suelo cambia su dirección de propagación también continuamente y termina recorriendo un camino curvo que la dirige finalmente hacia arriba, como se muestra en la figura 29. Un observador ve el objeto en la dirección que tiene la luz cuando llega a su ojo; o sea, la ve en la dirección general del suelo, como si ahí se hubiera reflejado la luz del objeto. U
Figura 29. Un espejismo es la reflexión aparente de cuerpos, como si existiera un espejo de agua en el suelo. Se observan en días muy asoleados y se deben al calentamiento de la capa de aire en contacto con el suelo.
Si representamos las ondas luminosas emitidas por un punto del objeto por medio de círculos concéntricos, la distancia entre círculos consecutivos debe cambiar de uno a otro porque la velocidad de propagación de la luz también cambia de una capa de aire a otra. Si la distancia entre círculos aumenta de los superiores a los inferiores, la dirección de la perpendicular a los círculos, que es la dirección de propagación de la luz, se curva hacia arriba como se muestra en la figura 30 (a); pero si la distancia entre círculos disminuye, la dirección de propagación se curva hacia abajo como se muestra en la figura 30 (b). Los espejismos se forman porque la dirección de propagación se curva hacia arriba cuando el aire se hace menos denso. Esto demuestra, entonces, que si la luz es un fenómeno ondulatorio su velocidad de propagación debe ser mayor en los medios menos densos y alcanzaría su valor máximo cuando la densidad fuera nula; o sea, en el vacío.
Figura 30. (a) La dirección de propagación de la luz se curva hacia arriba si su velocidad aumenta en las capas inferiores. (b) La dirección de propagación de la luz se curva hacia abajo si su velocidad disminuye en las capas inferiores.
Esta conclusión de la teoría ondulatoria sobre la velocidad de la luz en medios de densidades diferentes se opone completamente a la obtenida con la hipótesis corpuscular de Newton, la cual afirma que la velocidad de propagación es mayor en el medio más denso. La controversia entre las dos teorías hubiera podido ser dirimida midiendo la velocidad de la luz en medios de distintas densidades, por ejemplo en aire y en agua; pero la velocidad de la luz es tan grande que en tiempos de Huygens y Newton no era posible hacer esta medición mas que por métodos astronómicos y sólo se conocía su valor en el vacío, que es aproximadamente igual a 300 000 km/s. La controversia duró cerca de 150 años, hasta que los experimentos de difracción y de interferencia hechos por Thomas Young en 1815 dieron tanto apoyo a las ideas ondulatorias que la medición de las velocidades de la luz en distintos medios perdió algo de su importancia para dirimir la controversia. Sin embargo, en 1850 el físico francés Jean B. Foucault pudo medir la velocidad de la luz en agua encontrando un valor 33% menor que en aire. La teoría corpuscular de Newton parecía estar definitivamente muerta. http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2/ciencia3/107/htm/sec_10.htm
