150522 Introduccion a la Óptica

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En la Edad Antigua

se conocía la propagación rectilínea de la luz, la reflexión y

refracción. Dos filósofos y matemáticos griegos escribieron tratados

sobre óptica: Empédocles y Euclides.

Ya en la Edad Moderna René Descartes consideraba la luz como una onda de presión transmitida a través de un medio elástico perfecto (el éter)

que llenaba el espacio. Atribuyó los diferentes colores a movimientos

rotatorios de diferentes velocidades de las partículas en el medio.

La ley de la refracción fue descubierta experimentalmente en 1621 por Willebrord Snell. En 1657 Pierre de Fermat anunció el principio del tiempo mínimo y a partir de él dedujo la ley de la refracción.

Véase también: Ley de Snell

En la refracción el rayo de luz que se atraviesa de un medio

transparente a otro, se denomina rayo incidente; el rayo de luz que se

desvía al ingresar al segundo medio transparente se denomina rayo

refractado; el ángulo en que el rayo incidente, al ingresar al segundo

medio, forma con la perpendicular al mismo, se denomina ángulo de

incidencia; el ángulo que el rayo incidente forma con el rayo

refractado, al desviarse, se denomina ángulo de refracción o ángulo

indeterminado.

Interferencia y difracción

Artículo principal: Difracción

Interferencia (esquema simulado).

Robert Boyle y Robert Hooke y a dicha teoría la propuso Isaac Newton, los demás descubrieron, de forma independiente, el fenómeno de la interferencia conocido como anillos de Newton. Hooke también observó la presencia de luz en la sombra geométrica, debido a la difracción, fenómeno que ya había sido descubierto por Francesco Maria Grimaldi.

Hooke pensaba que la luz consistía en vibraciones propagadas

instantáneamente a gran velocidad y creía que en un medio homogéneo cada

vibración generaba una esfera que crece de forma regular. Con estas

ideas, Hooke intentó explicar el fenómeno de la refracción e interpretar

los colores. Sin embargo, los estudios que aclararon las propiedades de

los colores fueron desarrollados por Newton que descubrió en 1666

que la luz blanca puede dividirse en sus colores componentes mediante

un prisma y encontró que cada color puro se caracteriza por una

refractabilidad específica. Las dificultades que la teoría ondulatoria se encontraba para explicar la propagación rectilínea de la luz y la polarización (descubierta por Huygens) llevaron a Newton a inclinarse por la teoría corpuscular, que supone que la luz se propaga desde los cuerpos luminosos en forma de partículas.

Dispersión de la luz en dos prismas de distinto material.

En la época en que Newton publicó su teoría del color, no se conocía

si la luz se propagaba instantáneamente o no. El descubrimiento de la

velocidad finita de la luz lo realizó en 1675 Olaf Roemer a partir de observaciones de los eclipses de Júpiter.

Primeras teorías y otros fenómenos

Por su parte, Hoke fue de los primeros defensores de la teoría ondulatoria que fue extendida y mejorada por Christian Huygens

que enunció el principio que lleva su nombre, según el cual cada punto

perturbado por una onda puede considerarse como el centro de una nueva

onda secundaria, la envolvente de estas ondas secundarias define el

frente de onda en un tiempo posterior. Con la ayuda de este principio,

consiguió deducir las leyes de la reflexión y refracción. También pudo

interpretar la doble refracción del espato de Islandia, fenómeno descubierto en 1669 por Erasmus Bartholinus,

gracias a la suposición de la transmisión de una onda secundaria

elipsoidal, además de la principal de forma esférica. Durante esta

investigación Huygens descubrió la polarización. Cada uno de los dos

rayos emergentes de la refracción del espato de Islandia puede

extinguirse haciéndolo pasar por un segundo cristal del mismo material,

rotado alrededor de un eje con la misma dirección que el rayo luminoso.

Fue sin embargo Newton el que consiguió interpretar este fenómeno,

suponiendo que los rayos tenían “lados”, propiedad que le pareció una

objeción insuperable para la teoría ondulatoria de la luz, ya que en

aquella época los científicos sólo estaban familiarizados con las ondas longitudinales.

El prestigio de Newton, indujo el rechazo por parte de la comunidad

científica de la teoría ondulatoria, durante casi un siglo, con algunas

excepciones, como la de Leonhard Euler. No fue hasta el comienzo del Siglo XIX

en que nuevos progresos llevaron a la aceptación generalizada de la

teoría ondulatoria. El primero de ellos fue la enunciación por Thomas Young en 1801,

del principio de interferencia y la explicación de los colores de

películas delgadas. Sin embargo, como fueron expresadas en términos

cualitativos no consiguieron reconocimiento generalizado. En esta misma

época Étienne-Louis Malus describió la polarización por reflexión, en 1808

observó la reflexión del Sol desde una ventana a través de un cristal

de espato de Islandia y encontró que las dos imágenes birrefringentes

variaban sus intensidades relativas al rotar el cristal, aunque Malus no

intentó interpretar el fenómeno.

Aportes de Fresnel

Artículo principal: Difracción de Fresnel

Augustin-Jean Fresnel ganó un premio instituido en 1818 por la academia de París por la explicación de la difracción,

basándose en la teoría ondulatoria, que fue la primera de una serie de

investigaciones que, en el curso de algunos años, terminaron por

desacreditar completamente la teoría corpuscular. Los principios básicos

utilizados fueron: el principio de Huygens

y el de interferencia de Young, los cuales, según demostró Fresnel, son

suficientes para explicar, no sólo la propagación rectilínea, sino las

desviaciones de dicho comportamiento (como la difracción). Fresnel

calculó la difracción causada por rendijas, pequeñas aperturas y

pantallas. Una confirmación experimental de su teoría de la difracción

fue la verificación realizada por François Jean Dominique Arago

de una predicción de Poisson a partir de las teorías de Fresnel, que es

la existencia de una mancha brillante en el centro de la sombra de un

disco circular pequeño.

En el mismo año Fresnel también investigó el problema de la

influencia del movimiento terrestre en la propagación de la luz.

Básicamente el problema consistía en determinar si existe alguna

diferencia entre la luz de las estrellas y la de fuentes terrestres.

Arago encontró experimentalmente que (aparte de la aberración)

no había diferencia. Sobre la base de este descubrimiento Fresnel

desarrolló su teoría de la convección parcial del éter por interacción

con la materia, sus resultados fueron confirmados experimentalmente en

1851 por Armand Hyppolyte. Junto con Arago, Fresnel investigó la interferencia de rayos polarizados y encontró en 1816

que dos rayos polarizados perpendicularmente uno al otro, nunca

interferían. Este hecho no pudo ser reconciliado con la hipótesis de

ondas longitudinales, que hasta entonces se había dado por segura. Young

explicó en 1817 el fenómeno con la suposición de ondas transversales.

Fresnel intentó explicar la propagación de la luz como ondas en un

material (éter) y dado que en un fluido sólo son posibles las

oscilaciones elásticas longitudinales, concluyó que el éter debía

comportarse como un sólido, pero como en aquella época la teoría de

ondas elásticas en sólidos no estaba desarrollada, Fresnel intentó

deducir las propiedades del éter de la observación experimental. Su

punto de partida fueron las leyes de propagación en cristales. En 1832, William Rowan Hamilton

predijo a partir de las teorías de Fresnel la denominada refracción

cónica, confirmada posteriormente de forma experimental por Humprey Lloyd.

Fue también Fresnel el que en 1821

dio la primera indicación de las causas de la dispersión al considerar

la estructura molecular de la materia, idea desarrollada posteriormente

por Cauchy.

Los modelos dinámicos de los mecanismos de las vibraciones del éter,

llevaron a Fresnel a deducir las leyes que ahora llevan su nombre y que

gobiernan la intensidad y polarización de los rayos luminosos producidos

por la reflexión y refracción.

La teoría del éter

Artículo principal: Teoría del eter

En 1850 Foucault, Fizeau y Breguet realizaron un experimento crucial

para decidir entre las teorías ondulatoria y corpuscular. El

experimento fue propuesto inicialmente por Arago y consiste en medir la

velocidad de la luz en aire y agua. La teoría corpuscular explica la

refracción en términos de la atracción de los corpúsculos luminosos

hacia el medio más denso, lo que implica una velocidad mayor en el medio

más denso. Por otra parte, la teoría ondulatoria implica, de acuerdo

con el principio de Huygens que en el medio más denso la velocidad es

menor.

En las décadas que siguieron, se desarrolló la teoría del éter. El

primer paso fue la formulación de una teoría de la elasticidad de los

cuerpos sólidos desarrollada por Claude Louis Marie Henri Navier

que consideró que la materia consiste de un conjunto de partículas

ejerciendo entre ellas fuerzas a lo largo de las líneas que los unen.

Diferentes desarrollos aplicables a la Óptica fueron realizados por Siméon Denis Poisson, George Green, James MacCullagh y Franz Neuman.

Todas ellas encontraban dificultades por intentar explicar el fenómeno

óptico en términos mecánicos. Por ejemplo, al incidir sobre un medio una

onda transversal, se deberían producir ondas, tanto longitudinales como

transversales, pero, según los experimentos de Arago y Fresnel, solo se

producen del segundo tipo. Otra objeción a la hipótesis del éter es la

ausencia de resistencia al movimiento de los planetas.

Un primer paso para abandonar el concepto de éter elástico lo realizó

MacCullagh, que postuló un medio con propiedades diferentes a la de los

cuerpos ordinarios. Las leyes de propagación de ondas en este tipo de

éter son similares a las ecuaciones electromagnéticas de Maxwell.

A pesar de las dificultades, la teoría del éter elástico persistió y

recibió aportaciones de físicos del siglo XIX, entre ellos William

Thomson (Lord Kelvin), Carl Neumann, John William Strutt (Lord Rayleigh) y Gustav Kirchhoff.

Las ondas luminosas como ondas electromagnéticas

Artículo principal: Onda electromagnética

Mientras tanto, las investigaciones en electricidad y magnetismo se desarrollaban culminando en los descubrimientos de Michael Faraday. James Clerk Maxwell

consiguió resumir todo el conocimiento previo en este campo en un

sistema de ecuaciones que establecían la posibilidad de ondas

electromagnéticas con una velocidad que podía calcularse a partir de los

resultados de medidas eléctricas y magnéticas. Cuando Rudolph Kohlrausch y Wilhelm Eduard Weber

realizaron estas medidas, la velocidad obtenida resultó coincidir con

la velocidad de la luz. Esto llevó a Maxwell a especular que las ondas

luminosas eran electromagnéticas, lo que se verificó experimentalmente

en 1888 por Heinrich Hertz.