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La luz , luz visible o radiación visible es la radiación electromagnética que puede ser percibida por el ojo humano . [1] La luz visible abarca el espectro visible y generalmente se define como aquella que tiene longitudes de onda en el rango de 400 a 700 nanómetros (nm), que corresponden a frecuencias de 750 a 420 terahercios . La banda visible se encuentra adyacente a la infrarroja (con longitudes de onda más largas y frecuencias más bajas) y la ultravioleta (con longitudes de onda más cortas y frecuencias más altas), llamadas colectivamente radiación óptica . [2] [3]
En física , el término "luz" puede referirse de forma más amplia a la radiación electromagnética de cualquier longitud de onda, ya sea visible o no. [4] [5] En este sentido, los rayos gamma , los rayos X , las microondas y las ondas de radio también son luz. Las propiedades principales de la luz son la intensidad , la dirección de propagación, la frecuencia o espectro de longitud de onda y la polarización . Su velocidad en el vacío ,299 792 458 m/s , es una de las constantes fundamentales de la naturaleza. [6] Como todos los tipos de radiación electromagnética, la luz visible se propaga por partículas elementales sin masa llamadas fotones que representan los cuantos del campo electromagnético, y pueden analizarse tanto como ondas como partículas . El estudio de la luz, conocido como óptica , es un área de investigación importante en la física moderna .
La principal fuente de luz natural en la Tierra es el Sol . Históricamente, otra fuente importante de luz para los humanos ha sido el fuego , desde las antiguas fogatas hasta las modernas lámparas de queroseno . Con el desarrollo de las luces eléctricas y los sistemas de energía , la iluminación eléctrica ha reemplazado efectivamente a la luz del fuego.
En general, la radiación electromagnética (REM) se clasifica según su longitud de onda en ondas de radio , microondas , infrarrojos , el espectro visible que percibimos como luz, ultravioleta , rayos X y rayos gamma . La designación " radiación " excluye los campos eléctricos estáticos , magnéticos y cercanos .
El comportamiento de la radiación electromagnética depende de su longitud de onda. Las frecuencias más altas tienen longitudes de onda más cortas y las frecuencias más bajas tienen longitudes de onda más largas. Cuando la radiación electromagnética interactúa con átomos y moléculas individuales, su comportamiento depende de la cantidad de energía por quantum que transporta.
La radiación electromagnética en la región de la luz visible consiste en cuantos (llamados fotones ) que se encuentran en el extremo inferior de las energías capaces de causar excitación electrónica dentro de las moléculas, lo que conduce a cambios en la unión o la química de la molécula. En el extremo inferior del espectro de la luz visible, la radiación electromagnética se vuelve invisible para los humanos (infrarrojos) porque sus fotones ya no tienen suficiente energía individual para causar un cambio molecular duradero (un cambio en la conformación) en la molécula visual retinal en la retina humana, cambio que desencadena la sensación de visión.
Existen animales que son sensibles a varios tipos de infrarrojos, pero no por medio de la absorción cuántica. La detección de infrarrojos en las serpientes depende de un tipo de imagen térmica natural , en la que los diminutos paquetes de agua celular aumentan su temperatura por la radiación infrarroja. La radiación electromagnética en este rango provoca vibraciones moleculares y efectos de calentamiento, que es como la detectan estos animales.
Por encima del rango de la luz visible, la luz ultravioleta se vuelve invisible para los humanos, principalmente porque es absorbida por la córnea por debajo de los 360 nm y por el cristalino interno por debajo de los 400 nm. Además, los bastones y conos ubicados en la retina del ojo humano no pueden detectar las longitudes de onda ultravioleta muy cortas (por debajo de los 360 nm) y, de hecho, son dañados por la luz ultravioleta. Muchos animales con ojos que no requieren lentes (como los insectos y los camarones) pueden detectar la luz ultravioleta, mediante mecanismos de absorción cuántica de fotones, de manera muy similar a la forma química en que los humanos detectamos la luz visible.
Varias fuentes definen la luz visible de manera tan estricta como 420–680 nm [7] [8] o tan amplia como 380–800 nm. [9] [10] En condiciones ideales de laboratorio, las personas pueden ver infrarrojos hasta al menos 1050 nm; [11] los niños y adultos jóvenes pueden percibir longitudes de onda ultravioleta de hasta aproximadamente 310–313 nm. [12] [13] [14]
El crecimiento de las plantas también se ve afectado por el espectro de color de la luz, un proceso conocido como fotomorfogénesis .
La velocidad de la luz en el vacío se define como exactamente299 792 458 m/s (aproximadamente 186,282 millas por segundo). El valor fijo de la velocidad de la luz en unidades del SI resulta del hecho de que el metro ahora se define en términos de la velocidad de la luz. Todas las formas de radiación electromagnética se mueven exactamente a esta misma velocidad en el vacío.
Diferentes físicos han intentado medir la velocidad de la luz a lo largo de la historia. Galileo intentó medir la velocidad de la luz en el siglo XVII. Un experimento temprano para medir la velocidad de la luz fue realizado por Ole Rømer , un físico danés, en 1676. Usando un telescopio , Rømer observó los movimientos de Júpiter y una de sus lunas , Ío . Al notar discrepancias en el período aparente de la órbita de Ío, calculó que la luz tarda unos 22 minutos en atravesar el diámetro de la órbita de la Tierra. [15] Sin embargo, su tamaño no se conocía en ese momento. Si Rømer hubiera conocido el diámetro de la órbita de la Tierra, habría calculado una velocidad de227.000.000 m / s .
Otra medición más precisa de la velocidad de la luz fue realizada en Europa por Hippolyte Fizeau en 1849. [16] Fizeau dirigió un haz de luz hacia un espejo a varios kilómetros de distancia. Se colocó una rueda dentada giratoria en el camino del haz de luz a medida que viajaba desde la fuente, hasta el espejo y luego regresaba a su origen. Fizeau descubrió que a una cierta velocidad de rotación, el haz pasaría por un hueco en la rueda al salir y por el siguiente hueco al regresar. Conociendo la distancia al espejo, el número de dientes de la rueda y la velocidad de rotación, Fizeau pudo calcular la velocidad de la luz como313 000 000 m/s .
Léon Foucault realizó un experimento en el que utilizó espejos giratorios para obtener un valor de298 000 000 m/s [16] en 1862. Albert A. Michelson realizó experimentos sobre la velocidad de la luz desde 1877 hasta su muerte en 1931. Refinó los métodos de Foucault en 1926 utilizando espejos rotatorios mejorados para medir el tiempo que tardaba la luz en hacer un viaje de ida y vuelta desde el Monte Wilson hasta el Monte San Antonio en California. Las mediciones precisas arrojaron una velocidad de299 796 000 m/s [ 17]
La velocidad efectiva de la luz en diversas sustancias transparentes que contienen materia ordinaria es menor que en el vacío. Por ejemplo, la velocidad de la luz en el agua es aproximadamente 3/4 de la que se alcanza en el vacío.
Se dice que dos equipos independientes de físicos lograron detener por completo la luz al pasarla a través de un condensado de Bose-Einstein del elemento rubidio , un equipo de la Universidad de Harvard y el Instituto Rowland para la Ciencia en Cambridge, Massachusetts, y el otro del Centro Harvard-Smithsoniano para la Astrofísica , también en Cambridge. [18] Sin embargo, la descripción popular de la luz "detenida" en estos experimentos se refiere únicamente a la luz almacenada en los estados excitados de los átomos, y luego reemitida en un momento posterior arbitrario, estimulada por un segundo pulso láser. Durante el tiempo en que se había "detenido", había dejado de ser luz.
El estudio de la luz y de la interacción entre la luz y la materia se denomina óptica . La observación y el estudio de fenómenos ópticos como el arcoíris y la aurora boreal ofrecen muchas pistas sobre la naturaleza de la luz.
Un objeto transparente permite que la luz se transmita o pase a través de él. Por el contrario, un objeto opaco no permite que la luz se transmita a través de él y, en cambio, refleja o absorbe la luz que recibe. La mayoría de los objetos no reflejan ni transmiten luz de forma especular y, en cierto grado, dispersan la luz entrante, lo que se denomina brillo . La dispersión superficial es causada por la rugosidad de la superficie de las superficies reflectantes, y la dispersión interna es causada por la diferencia del índice de refracción entre las partículas y el medio dentro del objeto. Al igual que los objetos transparentes, los objetos translúcidos permiten que la luz se transmita a través de ellos, pero los objetos translúcidos también dispersan cierta longitud de onda de luz a través de la dispersión interna. [19]
La refracción es la desviación de los rayos de luz al atravesar una superficie entre un material transparente y otro. Se describe mediante la Ley de Snell :
donde θ 1 es el ángulo entre el rayo y la normal a la superficie en el primer medio, θ 2 es el ángulo entre el rayo y la normal a la superficie en el segundo medio y n 1 y n 2 son los índices de refracción , n = 1 en el vacío y n > 1 en una sustancia transparente .
Cuando un haz de luz cruza la frontera entre el vacío y otro medio, o entre dos medios diferentes, la longitud de onda de la luz cambia, pero la frecuencia permanece constante. Si el haz de luz no es ortogonal (o más bien normal) a la frontera, el cambio de longitud de onda da como resultado un cambio en la dirección del haz. Este cambio de dirección se conoce como refracción .
La propiedad refractiva de las lentes se utiliza con frecuencia para manipular la luz y cambiar el tamaño aparente de las imágenes. Las lupas , los anteojos , las lentes de contacto , los microscopios y los telescopios refractores son ejemplos de esta manipulación.
Existen muchas fuentes de luz. Un cuerpo a una temperatura dada emite un espectro característico de radiación de cuerpo negro . Una fuente térmica simple es la luz solar , la radiación emitida por la cromosfera del Sol a alrededor de 6000 K (5730 °C ; 10 340 °F ). La radiación solar alcanza su pico en la región visible del espectro electromagnético cuando se representa gráficamente en unidades de longitud de onda, [20] y aproximadamente el 44% de la radiación que llega al suelo es visible. [21] Otro ejemplo son las bombillas incandescentes , que emiten solo alrededor del 10% de su energía como luz visible y el resto como infrarrojo. Una fuente de luz térmica común en la historia son las partículas sólidas brillantes en llamas , pero estas también emiten la mayor parte de su radiación en el infrarrojo y solo una fracción en el espectro visible.
El pico del espectro del cuerpo negro se encuentra en el infrarrojo profundo, a una longitud de onda de aproximadamente 10 micrómetros , para objetos relativamente fríos como los seres humanos. A medida que aumenta la temperatura, el pico se desplaza a longitudes de onda más cortas, produciendo primero un resplandor rojo, luego uno blanco y finalmente un color blanco azulado a medida que el pico se aleja de la parte visible del espectro y entra en el ultravioleta. Estos colores se pueden ver cuando el metal se calienta al "rojo vivo" o "blanco vivo". La emisión térmica azul-blanca no se ve a menudo, excepto en las estrellas (el color azul puro que se ve comúnmente en una llama de gas o en un soplete de soldador se debe de hecho a la emisión molecular, en particular por radicales CH que emiten una banda de longitud de onda alrededor de 425 nm y no se ve en estrellas o radiación térmica pura).
Los átomos emiten y absorben luz a energías características. Esto produce " líneas de emisión " en el espectro de cada átomo. La emisión puede ser espontánea , como en los diodos emisores de luz , las lámparas de descarga de gas (como las lámparas de neón y los letreros de neón , las lámparas de vapor de mercurio , etc.) y las llamas (luz del propio gas caliente; por ejemplo, el sodio en una llama de gas emite una luz amarilla característica). La emisión también puede ser estimulada , como en un láser o un máser de microondas .
La desaceleración de una partícula cargada libre, como un electrón , puede producir radiación visible: la radiación ciclotrón , la radiación sincrotrón y la radiación de frenado son ejemplos de esto. Las partículas que se mueven a través de un medio más rápido que la velocidad de la luz en ese medio pueden producir radiación Cherenkov visible . Ciertas sustancias químicas producen radiación visible por quimioluminiscencia . En los seres vivos, este proceso se llama bioluminiscencia . Por ejemplo, las luciérnagas producen luz por este medio y los barcos que se mueven a través del agua pueden perturbar el plancton, lo que produce una estela brillante.
Ciertas sustancias producen luz cuando son iluminadas por una radiación más energética, un proceso conocido como fluorescencia . Algunas sustancias emiten luz lentamente después de ser excitadas por una radiación más energética. Esto se conoce como fosforescencia . Los materiales fosforescentes también pueden ser excitados bombardeándolos con partículas subatómicas. La catodoluminiscencia es un ejemplo. Este mecanismo se utiliza en televisores de tubo de rayos catódicos y monitores de computadora .
Ciertos otros mecanismos pueden producir luz:
Cuando se pretende que el concepto de luz incluya fotones de muy alta energía (rayos gamma), los mecanismos de generación adicionales incluyen:
La luz se mide con dos conjuntos principales de unidades alternativas: la radiometría consiste en mediciones de la potencia luminosa en todas las longitudes de onda, mientras que la fotometría mide la luz con una longitud de onda ponderada con respecto a un modelo estandarizado de percepción humana del brillo. La fotometría es útil, por ejemplo, para cuantificar la iluminación destinada al uso humano.
Las unidades de fotometría se diferencian de la mayoría de los sistemas de unidades físicas en que tienen en cuenta la forma en que el ojo humano responde a la luz. Las células cónicas del ojo humano son de tres tipos que responden de forma diferente en todo el espectro visible y la respuesta acumulativa alcanza su punto máximo en una longitud de onda de alrededor de 555 nm. Por lo tanto, dos fuentes de luz que producen la misma intensidad (W/m2 ) de luz visible no necesariamente parecen igualmente brillantes. Las unidades de fotometría están diseñadas para tener esto en cuenta y, por lo tanto, son una mejor representación de cuán "brillante" parece ser una luz que la intensidad bruta. Se relacionan con la potencia bruta mediante una cantidad llamada eficacia luminosa y se utilizan para fines como determinar cómo lograr la mejor iluminación suficiente para diversas tareas en entornos interiores y exteriores. La iluminación medida por un sensor de fotocélula no corresponde necesariamente a lo que percibe el ojo humano y, sin filtros que pueden ser costosos, las fotocélulas y los dispositivos acoplados a carga (CCD) tienden a responder a algunos rayos infrarrojos , ultravioleta o ambos.
La luz ejerce presión física sobre los objetos que encuentra en su camino, un fenómeno que se puede deducir mediante las ecuaciones de Maxwell , pero que se puede explicar más fácilmente por la naturaleza de partícula de la luz: los fotones inciden y transfieren su momento. La presión de la luz es igual a la potencia del haz de luz dividida por c , la velocidad de la luz. Debido a la magnitud de c , el efecto de la presión de la luz es insignificante para los objetos cotidianos. Por ejemplo, un puntero láser de un milivatio ejerce una fuerza de aproximadamente 3,3 piconewtons sobre el objeto que se ilumina; por lo tanto, uno podría levantar un centavo estadounidense con punteros láser, pero para ello se necesitarían unos 30 mil millones de punteros láser de 1 mW. [22] Sin embargo, en aplicaciones a escala nanométrica como los sistemas nanoelectromecánicos (NEMS), el efecto de la presión de la luz es más significativo y explotar la presión de la luz para impulsar los mecanismos NEMS y activar los interruptores físicos a escala nanométrica en circuitos integrados es un área activa de investigación. [23] A mayor escala, la presión de la luz puede hacer que los asteroides giren más rápido, [24] actuando sobre sus formas irregulares como sobre las aspas de un molino de viento . También se está investigando la posibilidad de fabricar velas solares que acelerarían las naves espaciales en el espacio. [25] [26]
Aunque el movimiento del radiómetro de Crookes se atribuyó originalmente a la presión de la luz, esta interpretación es incorrecta; la rotación característica de Crookes es el resultado de un vacío parcial. [27] Esto no debe confundirse con el radiómetro de Nichols , en el que el movimiento (leve) causado por el torque (aunque no lo suficiente para la rotación completa contra la fricción) es causado directamente por la presión de la luz. [28] Como consecuencia de la presión de la luz, Einstein en 1909 predijo la existencia de "fricción por radiación" que se opondría al movimiento de la materia. [29] Escribió: "la radiación ejercerá presión sobre ambos lados de la placa. Las fuerzas de presión ejercidas sobre los dos lados son iguales si la placa está en reposo. Sin embargo, si está en movimiento, se reflejará más radiación en la superficie que está delante durante el movimiento (superficie delantera) que en la superficie trasera. La fuerza de presión que actúa hacia atrás ejercida sobre la superficie delantera es, por tanto, mayor que la fuerza de presión que actúa sobre la trasera. Por tanto, como resultante de las dos fuerzas, queda una fuerza que contrarresta el movimiento de la placa y que aumenta con la velocidad de la placa. Llamaremos a esta resultante 'fricción por radiación' en breve".
Por lo general, el momento de la luz está alineado con su dirección de movimiento. Sin embargo, por ejemplo, en las ondas evanescentes, el momento es transversal a la dirección de propagación. [30]
En el siglo V a. C., Empédocles postuló que todo estaba compuesto de cuatro elementos : fuego, aire, tierra y agua. Creía que la diosa Afrodita había creado el ojo humano a partir de los cuatro elementos y que ella encendía el fuego que brillaba en el ojo, lo que hacía posible la visión. Si esto fuera cierto, entonces se podría ver durante la noche tan bien como durante el día, por lo que Empédocles postuló una interacción entre los rayos de los ojos y los rayos de una fuente como el sol. [31]
En el año 300 a. C., Euclides escribió Optica , en la que estudiaba las propiedades de la luz. Euclides postuló que la luz viajaba en línea recta y describió las leyes de la reflexión y las estudió matemáticamente. Cuestionó que la vista sea el resultado de un rayo de luz que sale del ojo, pues se pregunta cómo uno puede ver las estrellas inmediatamente, si cierra los ojos y luego los abre por la noche. Si el rayo de luz del ojo viaja infinitamente rápido, esto no es un problema. [32]
En el año 55 a. C., Lucrecio , un romano que continuó las ideas de los atomistas griegos anteriores , escribió que «la luz y el calor del sol están compuestos de átomos diminutos que, cuando son empujados, no pierden tiempo en dispararse a través del espacio intermedio del aire en la dirección impartida por el empujón» (de Sobre la naturaleza del universo ). A pesar de ser similares a teorías de partículas posteriores, las opiniones de Lucrecio no fueron generalmente aceptadas. Ptolomeo (c. siglo II) escribió sobre la refracción de la luz en su libro Óptica . [33]
En la antigua India , las escuelas hindúes Samkhya y Vaisheshika , desde los primeros siglos d. C., desarrollaron teorías sobre la luz. Según la escuela Samkhya, la luz es uno de los cinco elementos "sutiles" fundamentales ( tanmatra ) de los que surgen los elementos brutos. La atomicidad de estos elementos no se menciona específicamente y parece que en realidad se los consideraba continuos. [34] El Vishnu Purana se refiere a la luz solar como "los siete rayos del sol". [34]
Los budistas indios , como Dignāga en el siglo V y Dharmakirti en el siglo VII, desarrollaron un tipo de atomismo, que es una filosofía según la cual la realidad está compuesta de entidades atómicas que son destellos momentáneos de luz o energía. Consideraban que la luz era una entidad atómica equivalente a la energía. [34]
René Descartes (1596-1650) sostuvo que la luz era una propiedad mecánica del cuerpo luminoso, rechazando las "formas" de Ibn al-Haytham y Witelo , así como las "especies" de Roger Bacon , Robert Grosseteste y Johannes Kepler . [35] En 1637 publicó una teoría de la refracción de la luz que suponía, incorrectamente, que la luz viajaba más rápido en un medio más denso que en un medio menos denso. Descartes llegó a esta conclusión por analogía con el comportamiento de las ondas sonoras. [ cita requerida ] Aunque Descartes se equivocó acerca de las velocidades relativas, estaba en lo cierto al suponer que la luz se comportaba como una onda y al concluir que la refracción podía explicarse por la velocidad de la luz en diferentes medios.
Descartes no es el primero en utilizar analogías mecánicas, pero debido a que afirma claramente que la luz es solo una propiedad mecánica del cuerpo luminoso y del medio transmisor, la teoría de la luz de Descartes se considera como el comienzo de la óptica física moderna. [35]
Pierre Gassendi (1592-1655), un atomista, propuso una teoría de partículas de la luz que se publicó póstumamente en la década de 1660. Isaac Newton estudió el trabajo de Gassendi a una edad temprana y prefirió su visión a la teoría del pleno de Descartes . Afirmó en su Hipótesis de la luz de 1675 que la luz estaba compuesta de corpúsculos (partículas de materia) que se emitían en todas las direcciones desde una fuente. Uno de los argumentos de Newton contra la naturaleza ondulatoria de la luz era que se sabía que las ondas se doblaban alrededor de obstáculos, mientras que la luz viajaba solo en línea recta. Sin embargo, explicó el fenómeno de la difracción de la luz (que había sido observado por Francesco Grimaldi ) al permitir que una partícula de luz pudiera crear una onda localizada en el éter .
La teoría de Newton podía utilizarse para predecir la reflexión de la luz, pero sólo podía explicar la refracción suponiendo incorrectamente que la luz se aceleraba al entrar en un medio más denso porque la atracción gravitatoria era mayor. Newton publicó la versión final de su teoría en su Opticks de 1704. Su reputación ayudó a que la teoría de partículas de la luz se mantuviera vigente durante el siglo XVIII. La teoría de partículas de la luz llevó a Pierre-Simon Laplace a argumentar que un cuerpo podía ser tan masivo que la luz no pudiera escapar de él. En otras palabras, se convertiría en lo que ahora se llama un agujero negro . Laplace retiró su sugerencia más tarde, después de que una teoría ondulatoria de la luz se estableciera firmemente como el modelo para la luz (como se ha explicado, ni una teoría de partículas ni una de ondas son completamente correctas). Una traducción del ensayo de Newton sobre la luz aparece en La estructura a gran escala del espacio-tiempo , de Stephen Hawking y George FR Ellis .
El hecho de que la luz pudiera ser polarizada fue explicado por primera vez de forma cualitativa por Newton utilizando la teoría de partículas. Étienne-Louis Malus creó en 1810 una teoría matemática de la polarización basada en partículas. Jean-Baptiste Biot demostró en 1812 que esta teoría explicaba todos los fenómenos conocidos de polarización de la luz. En aquel momento, la polarización se consideraba la prueba de la teoría de partículas.
Para explicar el origen de los colores , Robert Hooke (1635-1703) desarrolló una "teoría del pulso" y comparó la propagación de la luz con la de las ondas en el agua en su obra de 1665 Micrographia ("Observación IX"). En 1672 Hooke sugirió que las vibraciones de la luz podrían ser perpendiculares a la dirección de propagación. Christiaan Huygens (1629-1695) elaboró una teoría matemática ondulatoria de la luz en 1678 y la publicó en su Tratado sobre la luz en 1690. Propuso que la luz se emitía en todas las direcciones como una serie de ondas en un medio llamado éter luminífero . Como las ondas no se ven afectadas por la gravedad, se asumió que se desaceleraban al entrar en un medio más denso. [36]
La teoría ondulatoria predijo que las ondas de luz podían interferir entre sí como las ondas de sonido (como señaló alrededor de 1800 Thomas Young ). Young demostró mediante un experimento de difracción que la luz se comportaba como ondas. También propuso que los diferentes colores eran causados por diferentes longitudes de onda de la luz y explicó la visión del color en términos de receptores tricolores en el ojo. Otro partidario de la teoría ondulatoria fue Leonhard Euler . Argumentó en Nova theoria lucis et colorum (1746) que la difracción podía explicarse más fácilmente mediante una teoría ondulatoria. En 1816, André-Marie Ampère le dio a Augustin-Jean Fresnel una idea de que la polarización de la luz puede explicarse mediante la teoría ondulatoria si la luz fuera una onda transversal . [37]
Más tarde, Fresnel elaboró de forma independiente su propia teoría ondulatoria de la luz y la presentó a la Academia de Ciencias en 1817. Siméon Denis Poisson contribuyó al trabajo matemático de Fresnel para producir un argumento convincente a favor de la teoría ondulatoria, ayudando a revocar la teoría corpuscular de Newton. [ dudoso – discutir ] En el año 1821, Fresnel pudo demostrar a través de métodos matemáticos que la polarización podía explicarse mediante la teoría ondulatoria de la luz si y solo si la luz era completamente transversal, sin vibración longitudinal alguna. [ cita requerida ]
La debilidad de la teoría ondulatoria era que las ondas de luz, al igual que las ondas sonoras, necesitaban un medio para transmitirse. La existencia de la sustancia hipotética éter luminífero propuesta por Huygens en 1678 fue puesta en duda a finales del siglo XIX por el experimento de Michelson-Morley .
La teoría corpuscular de Newton implicaba que la luz viajaría más rápido en un medio más denso, mientras que la teoría ondulatoria de Huygens y otros implicaba lo contrario. En ese momento, la velocidad de la luz no podía medirse con la suficiente precisión para decidir qué teoría era la correcta. El primero en hacer una medición suficientemente precisa fue Léon Foucault , en 1850. [38] Su resultado apoyó la teoría ondulatoria, y la teoría clásica de partículas fue finalmente abandonada (solo para resurgir parcialmente en el siglo XX como fotones en la teoría cuántica ).
En 1845, Michael Faraday descubrió que el plano de polarización de la luz polarizada linealmente gira cuando los rayos de luz viajan a lo largo de la dirección del campo magnético en presencia de un dieléctrico transparente , un efecto ahora conocido como rotación de Faraday . [39] Esta fue la primera evidencia de que la luz estaba relacionada con el electromagnetismo . En 1846 especuló que la luz podría ser alguna forma de perturbación que se propaga a lo largo de las líneas del campo magnético. [39] Faraday propuso en 1847 que la luz era una vibración electromagnética de alta frecuencia, que podía propagarse incluso en ausencia de un medio como el éter. [40]
El trabajo de Faraday inspiró a James Clerk Maxwell a estudiar la radiación electromagnética y la luz. Maxwell descubrió que las ondas electromagnéticas autopropagantes viajarían a través del espacio a una velocidad constante, que resultó ser igual a la velocidad de la luz medida anteriormente. A partir de esto, Maxwell concluyó que la luz era una forma de radiación electromagnética: afirmó por primera vez este resultado en 1862 en On Physical Lines of Force . En 1873, publicó A Treatise on Electricity and Magnetism , que contenía una descripción matemática completa del comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos, todavía conocidos como ecuaciones de Maxwell . Poco después, Heinrich Hertz confirmó la teoría de Maxwell experimentalmente al generar y detectar ondas de radio en el laboratorio y demostrar que estas ondas se comportaban exactamente como la luz visible, exhibiendo propiedades como reflexión, refracción, difracción e interferencia . La teoría de Maxwell y los experimentos de Hertz condujeron directamente al desarrollo de la radio, el radar, la televisión, la imagen electromagnética y las comunicaciones inalámbricas modernas.
En la teoría cuántica, los fotones se consideran paquetes de ondas de las ondas descritas en la teoría clásica de Maxwell. La teoría cuántica era necesaria para explicar efectos incluso con luz visible que la teoría clásica de Maxwell no podía explicar (como las líneas espectrales ).
En 1900, Max Planck , intentando explicar la radiación del cuerpo negro , sugirió que aunque la luz era una onda, estas ondas podían ganar o perder energía solo en cantidades finitas relacionadas con su frecuencia. Planck llamó a estos "bultos" de energía luminosa " cuantos " (de una palabra latina que significa "cuánto"). En 1905, Albert Einstein utilizó la idea de los cuantos de luz para explicar el efecto fotoeléctrico y sugirió que estos cuantos de luz tenían una existencia "real". En 1923, Arthur Holly Compton demostró que el cambio de longitud de onda observado cuando los rayos X de baja intensidad se dispersan desde los electrones (la llamada dispersión Compton ) podía explicarse mediante una teoría de partículas de rayos X, pero no una teoría ondulatoria. En 1926, Gilbert N. Lewis nombró a estas partículas de cuantos de luz fotones . [41]
Con el tiempo, la mecánica cuántica llegó a describir la luz como (en cierto sentido) tanto una partícula como una onda, y (en otro sentido) como un fenómeno que no es ni una partícula ni una onda (que en realidad son fenómenos macroscópicos, como las pelotas de béisbol o las olas del océano). En cambio, con algunas aproximaciones, la luz puede describirse a veces con matemáticas apropiadas para un tipo de metáfora macroscópica (partículas) y a veces con otra metáfora macroscópica (ondas).
Al igual que en el caso de las ondas de radio y los rayos X que intervienen en la dispersión Compton, los físicos han observado que la radiación electromagnética tiende a comportarse más como una onda clásica a frecuencias más bajas, pero más como una partícula clásica a frecuencias más altas, pero nunca pierde por completo todas las cualidades de una u otra. La luz visible, que ocupa un punto intermedio en frecuencia, se puede describir fácilmente mediante experimentos utilizando un modelo de onda o de partícula, o a veces ambos.
En 1924-1925, Satyendra Nath Bose demostró que la luz seguía una estadística diferente a la de las partículas clásicas. Junto con Einstein, generalizaron este resultado para todo un conjunto de partículas de espín entero llamadas bosones (en honor a Bose) que siguen la estadística de Bose-Einstein . El fotón es un bosón sin masa de espín 1.
En 1927, Paul Dirac cuantizó el campo electromagnético . Pascual Jordan y Vladimir Fock generalizaron este proceso para tratar los sistemas de muchos cuerpos como excitaciones de campos cuánticos, un proceso con el nombre equivocado de segunda cuantización . Y a finales de la década de 1940 se desarrolló una teoría completa de la electrodinámica cuántica utilizando campos cuánticos basada en los trabajos de Julian Schwinger , Richard Feynman , Freeman Dyson y Shinichiro Tomonaga .
John R. Klauder , George Sudarshan , Roy J. Glauber y Leonard Mandel aplicaron la teoría cuántica al campo electromagnético en los años 1950 y 1960 para obtener una comprensión más detallada de la fotodetección y las estadísticas de la luz (véase grado de coherencia ). Esto condujo a la introducción del estado coherente como un concepto que abordaba las variaciones entre la luz láser, la luz térmica, los estados exóticos comprimidos , etc., ya que se entendió que la luz no puede describirse completamente haciendo referencia solo a los campos electromagnéticos que describen las ondas en la imagen clásica. En 1977, H. Jeff Kimble et al. demostraron un solo átomo que emite un fotón a la vez, lo que constituye una prueba más convincente de que la luz se compone de fotones. Posteriormente se descubrieron estados cuánticos de la luz previamente desconocidos con características diferentes a los estados clásicos, como la luz comprimida .
El desarrollo de pulsos láser cortos y ultracortos , creados mediante técnicas de conmutación Q y bloqueo de modelos , abrió el camino al estudio de lo que se conocería como procesos ultrarrápidos. Se encontraron aplicaciones para la investigación del estado sólido (por ejemplo, la espectroscopia Raman ) y se estudiaron las fuerzas mecánicas de la luz sobre la materia. Esto último llevó a levitar y posicionar nubes de átomos o incluso pequeñas muestras biológicas en una trampa óptica o pinzas ópticas mediante un rayo láser. Esto, junto con el enfriamiento Doppler y el enfriamiento Sisyphus , fue la tecnología crucial necesaria para lograr la célebre condensación de Bose-Einstein .
Otros resultados destacables son la demostración del entrelazamiento cuántico , la teletransportación cuántica y las puertas lógicas cuánticas . Estas últimas son de gran interés para la teoría de la información cuántica , un tema que surgió en parte de la óptica cuántica y en parte de la informática teórica .
La luz del sol proporciona la energía que las plantas verdes utilizan para crear azúcares , principalmente en forma de almidones , que liberan energía en los seres vivos que los digieren. Este proceso de fotosíntesis proporciona prácticamente toda la energía que utilizan los seres vivos. Algunas especies de animales generan su propia luz, un proceso llamado bioluminiscencia . Por ejemplo, las luciérnagas utilizan la luz para localizar a sus parejas y los calamares vampiros la utilizan para esconderse de sus presas.
El ojo humano tiene la capacidad de responder a todas las longitudes de onda de la luz de 400 a 700 nm. Esto se denomina parte visible del espectro.
La luz es una clase especial de energía radiante que abarca longitudes de onda entre 400 y 700 nm (o mμ), o 4000 a 7000 Å.
{{cite book}}: CS1 maint: DOI inactive as of November 2024 (link)Se midió la sensibilidad foveal a varias longitudes de onda de láser de infrarrojo cercano. Se encontró que el ojo podía responder a la radiación en longitudes de onda de al menos 1064 nm. Una fuente de láser continua de 1064 nm apareció roja, pero una fuente de láser pulsada de 1060 nm apareció verde, lo que sugiere la presencia de generación de segundo armónico en la retina.
Los límites del rango general de sensibilidad del ojo se extienden desde aproximadamente 310 a 1050 nanómetros
Normalmente, el ojo humano responde a rayos de luz de 390 a 760 nm. Esto puede ampliarse a un rango de 310 a 1.050 nm en condiciones artificiales.
Barrow, Gordon M. (1962). Introducción a la espectroscopia molecular (PDF escaneado) . McGraw-Hill. LCCN 62-12478.
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