Christiaan Huygens y la teoría ondular
Publicado en 1690, el Tratado sobre la luz explica la propagación de la luz como un fenómeno ondulatorio, lo cual entra en directa contradicción con la teoría corpuscular que Isaac Newton propondría en su Óptica, que vio la luz en 1704
POR RAÚL ROJAS
El holandés Christiaan Huygens (1629-1695) es uno de esos científicos legendarios que aparentemente se dedicaban a todo: aportó importantes resultados a la física y a las matemáticas, se dedicó a la astronomía, descubrió la primera luna de Saturno, inventó el reloj de péndulo y, de pasada, escribía libros. Como es el caso de su Tratado de la Luz, que lleva el largo subtítulo: En donde se explican las causas de lo que ocurre en la reflexión y la refracción y particularmente la refracción del cristal de Islandia. La obra no es muy extensa, pero es fundamental en la historia de la física. En el libro, Huygens explica la propagación de la luz como un fenómeno ondulatorio, en directa contradicción con la teoría corpuscular de Isaac Newton. Hoy sabemos, que, en cierto modo, tanto Huygens como Newton tenían razón, pero la teoría ondulatoria por sí sola permitía explicar diversos fenómenos de manera más satisfactoria que los corpúsculos newtonianos.
Fue durante la peste de 1665-1667 que Newton tuvo que dejar de asistir a la Universidad de Cambridge. Recluido en su home office, trabajó sobre muy diversos temas, gravitación y matemáticas, pero también sobre problemas ópticos. Era sabido que la luz blanca se podía descomponer en los colores del arcoíris al hacerla pasar por un prisma, pero se pensaba que la luz de color era en realidad luz blanca, de alguna manera afectada por la materia. Sin embargo, lo que hizo Newton fue pasar el arcoíris de luz por un segundo prisma para reconstituir la luz blanca. Es eso lo que se llama un “experimento crucial”, uno que permite desechar hipótesis alternativas. La explicación de Newton era que la luz blanca consistía en partículas diferentes, que correspondían a los diferentes colores. Eran desviadas de manera desigual al pasar por el cristal de los prismas y por eso se disociaban en un arcoíris. Todo eso lo publicó Newton en su Óptica, un libro que apareció hasta 1704, incluyendo muchos otros experimentos realizados a lo largo de los años.
La fecha de publicación es importante porque el Tratado de Huygens apareció en 1690, aunque en el prefacio explica que había presentado sus ideas desde 1678 en la Academia de Ciencias Francesa, de la que era miembro. También Newton había expuesto algunas de sus ideas en la Royal Society, así que para fines del siglo XVII se tenían dos teorías alternativas de la luz: la de Huygens, ondular, y la de Newton, corpuscular. Eso sin tomar en cuenta a Descartes y los aristotélicos, que tenían explicaciones alternativas acerca de la naturaleza de la luz.
Lo que hace Huygens en su tratado es postular un mecanismo para la propagación de la luz, del cual deriva un formalismo para explicar el avance de las ondas a través de las cuales se manifiesta. El ejemplo de Huygens es un arreglo de esferas metálicas en estrecho contacto, en una línea. Si otra esfera del mismo tamaño se impacta con la primera en la línea, se detiene, y la esfera más lejana en la cadena sale expulsada con la misma velocidad. Huygens menciona que ha realizado el experimento y que ha notado que las esferas imprimen una marca circular sobre la que tienen contacto, mostrando que las esferas se deforman por la colisión y transmiten la energía, de una a otra, hasta que la última esfera sale propulsada.
Según Huygens lo mismo ocurre con la luz. A semejanza del sonido, que es transmitido por la colisión de partículas de aire entre sí, la luz es transmitida por partículas que llenan el universo conformando una sustancia que Huygens llama el “éter”. Pero mientras que el aire se puede extraer de un recipiente de cristal, y entonces una campana ahí contenida ya no puede ser escuchada, extraer el aire de un recipiente no impide que sigamos viendo a una vela en su interior. Eso quiere decir que el éter es omnipresente y así como las bolas de metal transmiten movimiento al estar en contacto, las partículas del éter pueden hacer lo mismo respecto a la luz. En otras palabras, la luz es una perturbación que se propaga a través de ese éter.
Ahora bien, lo original del trabajo de Huygens no es dar esta explicación mecánica. Ya Descartes había propuesto algo análogo, siguiendo la teoría aristotélica del plenum. Según Descartes, el vacío no existe, el espacio está lleno de corpúsculos en rotación. Al pasar la luz por un prisma, esa rotación es alterada y eso produce los colores. Aquellos serían una perturbación de la rotación puntual intrínseca del plenum.
Huygens propone en su Tratado lo que ahora se llama el “principio de Huygens”, o también “principio de Huygens-Fresnel”. Lo que dice ese principio, que además proporciona una receta matemática verificable, es que una onda de luz “agita” a las partículas del éter, por donde va pasando, y esas partículas se convierten entonces en los nuevos centros de ondas secundarias que retroalimentan la propagación.
Por ejemplo: podemos pensar en una multitud de personas en estrecho contacto, en una gran plaza. Una de ellas emite un sonido que es escuchado por sus vecinos inmediatos. Aquella persona inicia el proceso. Los vecinos repiten lo escuchado y se transforman en el centro de una nueva onda de propagación. Los vecinos de los vecinos hacen lo mismo y así sucesivamente. Lo interesante es que la suma de todas estas interacciones produce un “frente de onda” que se va propagando circularmente a una cierta velocidad.
Si ahora pensamos que en aquella plaza toda una fila de personas (a lo largo de una línea) comienza a producir un sonido simultáneamente (de acuerdo con el reloj de la plaza), es fácil ver que el sonido se propagará de forma transversal a la fila de personas. Es lo que se llama un “frente de onda plano”, que se va propagando alejándose de la fila, y que serviría para ilustrar que la luz se puede mover en línea recta cuando sale de una superficie como la del sol. Es decir, a pesar de que la luz está compuesta de infinidad de ondas circulares, su combinación en un haz de luz se puede propagar en línea recta.
Armado con este principio, Huygens puede explicar, con algunos diagramas, cómo es que la luz se refleja en los espejos. Habría que verlo en esos esquemas, pero la idea es
que cuando un frente plano de luz incide sobre un espejo de forma transversal (es decir no frontalmente), la propagación total de las subondas de luz produce una dirección de desplazamiento del frente de onda reflejado que corresponde a la regla que nos dice: “el ángulo de incidencia de la luz es igual al ángulo en el que la luz sale reflejada”. Hasta Huygens, todos los físicos habían utilizado este principio, pero realmente no existía una explicación acorde a la teoría ondulatoria. De esta manera, Huygens logra hacer lo que propone al principio de su tratado: en las ciencias naturales, dice, no se pueden plantear nuevos principios basados en la pura lógica. Hay que postularlos y verificar a qué conclusiones nos llevan. Si las conclusiones son acertadas y nos permiten comprender los fenómenos naturales, e incluso predecir algunos nuevos, entonces sabemos que los principios propuestos son válidos. La experiencia es la que ratifica, o no, esos postulados.
De la reflexión de la luz, Huygens pasa a la refracción. Y esta parte del Tratado va a resultar fundamental porque va a conducir a contraponer la teoría corpuscular de la luz con la teoría ondulatoria. Cuando la luz pasa de un medio a otro, por ejemplo, del aire al vidrio, el ángulo en el que avanza el haz de luz se modifica, es decir, la luz pasa por un proceso de refracción, como se dice. Esto ocurre porque la velocidad de la luz en el vacío, o en un semivacío como el aire, es distinta a la velocidad de la luz en otros medios. En la época en que Newton y Huygens escriben, esto era bien conocido y estaba cuantificado de acuerdo con lo que se llamaba el índice de refracción de los materiales.
Huygens, armado con su principio, puede explicar el fenómeno dibujando un frente de luz incidiendo sobre un cristal y el cual produce muchas subondas. Para explicar el fenómeno sólo postula que la velocidad de la luz en el cristal es menor que en el aire. Newton se había ocupado también del problema y en su teoría corpuscular es la interfaz entre los dos medios lo que deflacta a las partículas de luz, ya que la velocidad de la luz en el cristal sería mayor que en el aire. Habría entonces dos explicaciones y el “experimento crucial” sería medir la velocidad de la luz en los dos medios. En el Tratado, Huygens cita los experimentos ya realizados para medir la velocidad de la luz en el espacio, en experimentos astronómicos. Es más factible que la luz avance más despacio en un medio más denso, pero una explicación de este fenómeno sólo se tendría hasta el siglo XX.
Después de la publicación del Tratado se fueron acumulando poco a poco resultados experimentales que fueron dándole la razón a Huygens y su teoría ondulatoria. Con la teoría corpuscular no se podía explicar, por ejemplo, la llamada difracción de la luz alrededor de cantos de objetos. En una fotografía de una sombra, por ejemplo, los bordes de la misma no están perfectamente delineados porque los cantos del objeto que la proyecta afectan la propagación de un frente ondulatorio de luz. La teoría corpuscular no tenía una explicación adecuada para ese fenómeno. Además, las ondas de luz pueden interferir entre sí, como las ondas de agua. En el agua, una ola que la levanta puede combinarse con otra que la hace descender y las dos se anulan. Es decir, las ondas se pueden reforzar o cancelar. En el caso de la luz eso produce patrones de interferencia visibles cuando la luz pasa por un orificio muy pequeño y es proyectada sobre una pantalla. De nuevo, la teoría corpuscular no tendría explicación del fenómeno.
Eventualmente la teoría ondulatoria de la luz se impuso y, aunque el principio de Huygens no es válido en todos los casos, sí sirvió durante mucho tiempo como una regla matemática con la que se podían explicar muchos fenómenos ópticos. La teoría corpuscular de la luz parecía haber sido enterrada.
Y en eso llegó Einstein. En 1905 el gran físico alemán publicó su explicación del efecto fotoeléctrico, que consiste en la liberación de electrones cuando la luz incide sobre ciertos materiales. Pero esos materiales no pueden “acumular” luz de baja energía hasta que pueden emitir un electrón, sino que la luz debe poseer una energía mínima (un cuanto de energía) para poder dislocar a un electrón de un átomo. Einstein propuso que la luz consiste en paquetes de energía discretos, los que producen el efecto fotoeléctrico (como en los paneles solares). A esos cuantos se les llamó “fotones” y con eso estábamos de regreso con la teoría corpuscular de la luz. Pero no completamente: lo que la teoría cuántica moderna propone es que hay dos niveles de descripción de los fenómenos microscópicos, uno basado en ondas y otro basado en partículas. Es lo que se llama la “dualidad ondas-partículas” en la física moderna.
En su bestseller, de 1985, QED: la extraña teoría de la luz y la materia, el físico norteamericano Robert Feynman explica la dualidad entre ondas y partículas como algo producido por el avance de frentes de onda probabilísticos, que interfieren entre sí produciendo los fenómenos registrados. La luz, en particular consiste en fotones, es decir partículas que al propagarse lo hacen por todas las trayectorias potenciales. Todas ellas interfieren entre sí y producen el resultado final, lo observable. El cálculo está basado en la “ecuación de onda” de esos fotones, partículas que por eso se comportan simultáneamente como tales, pero también como ondas.
Así que la disputa ancestral entre las teorías corpuscular y ondulatoria de la luz terminó en un empate salomónico. Pero hay que decir que, en la óptica clásica, en aquella que se ocupa de lentes y espejos, el principio de Huygens-Fresnel sigue siendo utilizado y continúa siendo enseñado en las universidades. El Tratado de 1690 sigue siendo una obra de actualidad, a pesar de los siglos transcurridos, y es además de fácil lectura.
FOTO: Retrato de Christiaan Huygens realizado por el pintor barroco Caspar Netscher hacia 1671/ Crédito de foto: Especial
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