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En muchos sentidos, la historia de la luz es también la historia de la física. Hay pocos fenómenos que hayan requerido de tal profunda transformación del pensamiento científico como este que parece sencillo y hace visibles las cosas.
La luz ha sido juez implacable de nuestras teorías durante más de trescientos años, cuando la física creía haberla comprendido en sus más hondas entrañas nuevos experimentos mostraban grietas importantísimas en los fundamentos.
La luz – de la mecánica clásica a la física cuántica – no solo fue objeto de estudio sino el motor conceptual de los avances más decisivos en la ciencia moderna.
Entre 1580 y 1630, durante la Revolución Científica, tuvo lugar el primer gran y sistemático estudio de la luz. Isaac Newton (4 de enero de 1643 - 31 de marzo de 1727) una persona clave en esa era, propuso que la luz estaba compuesta de corpúsculos: pequeñas partículas que viajan en línea recta y están sujetas a las leyes del movimiento.
Esta especulación encajaba bien con su visión mecanicista del universo. La refracción era entendida como la resultante de la influencia de ciertas fuerzas en los medios materiales, y la reflexión como el rebote. La teoría además de ser intuitiva tenía una bella simplicidad y la magnífica reputación de Newton otorgó a ese éxito explicativo tal forma que prevaleció como doctrina durante décadas.
Sin embargo, en la época de Newton ya había una alternativa poderosa. Christiaan Huygens (14 de abril de 1629 - 8 de julio de 1695) sostuvo que la luz era una onda, una perturbación oscilatoria que se propagaba en un medio material. Su principio geométrico le permitía describir con exactitud la reflexión y la refracción, y predecir fenómenos que el modelo corpuscular no podía explicar satisfactoriamente. Y aun así no fue sino hasta que se impuso la autoridad científica y social de Newton que la teoría ondulatoria cayó en desuso. Durante casi un siglo se aceptó tal vez más la personalidad del defensor de la óptica corpuscular que la fuerza con que la teoría explicaba todos y cada uno de los fenómenos conocidos.
Christiaan Huygens publicó uno de los primeros libros de probabilidad de la historia..
No fue sino hasta que se impuso la autoridad científica y social de Newton que la teoría ondulatoria cayó en desuso
El equilibrio comenzó a romperse a comienzos del siglo XIX. Thomas Young (13 de junio de 1773-10 de mayo de 1829) realizó el célebre experimento de la doble rendija y mostró que la luz podía interferir consigo misma, generando patrones de franjas claras y oscuras. Este comportamiento era incompatible con la idea de partículas independientes y solo podía entenderse en términos ondulatorios. La luz parecía capaz de superponerse y anularse, como lo hacen las ondas en el agua.
A partir de este punto, la teoría ondulatoria ganó terreno rápidamente, reforzada por los trabajos de Augustin-Jean Fresnel (10 de mayo de 1788 - 14 de julio de 1827) sobre difracción y polarización.
La conquista del modelo ondulatorio quedó sellada con James Clerk Maxwell (13 de junio 1831 – 5 de noviembre 1879). En la combinación de electricidad y magnetismo Maxwell demostró la existencia de ondas electromagnéticas que se desplazaban a través del vacío a una velocidad equivalente a la de la luz.
La conclusión fue rotunda: la luz no precisa corpúsculos ni éteres mecánicos, es una onda electromagnética. Con ello, la física clásica tuvo uno de sus triunfos más altos y pareció cerrar para siempre la polémica de Newton y Huygens.
La física clásica tuvo uno de sus triunfos más altos y pareció cerrar para siempre la polémica de Newton y Huygens, pero la calma no duró mucho
Retrato de Isaac Newton (1642-1727).
Pero la calma no duró mucho. Durante el estudio de la interacción luz-materia a finales del siglo XIX, surgieron contradicciones insalvables. Max Planck (23 de April de 1858 - 4 de October de 1947) introdujo una hipótesis revolucionaria: la energía podía ser emitida o absorbida sólo en cantidades discretas mientras estudiaba la radiación térmica. No entendía completamente la magnitud de lo que había descubierto, pero había establecido las bases de la física cuántica.
Albert Einstein (14 de marzo de 1879 - 18 de abril de 1955) realizó la siguiente acción al investigar sobre el fenómeno del efecto fotoeléctrico. Detectó que la luz solamente tenía la capacidad de desprender electrones de un metal si sobrepasaba una frecuencia mínima, independientemente de su potencia. Para explicarlo, sugirió que los fotones eran cuantos de energía reales que formaban la luz. La intuición de Newton resurgía, pero ahora incorporada en una teoría completamente diferente.
El resultado era extremadamente perturbador: la luz era una onda cuando se propagaba y una partícula cuando interactuaba. Cuando Louis de Broglie (15 de agosto de 1892 - 19 de marzo de 1987) introdujo la idea de que la materia también podría mostrar una naturaleza ondulatoria, además de ser corpórea, esta dualidad ya no era sólo un problema óptico. Está comprobado experimentalmente que existe interferencia para electrones, y también para otras partículas. Se demostró que la dualidad onda-partícula es una ley universal.
El resultado era extremadamente perturbador: la luz era una onda cuando se propagaba y una partícula cuando interactuaba
La electrodinámica cuántica, cuyo desarrollo se completó a mediados del siglo XX, fue la que aportó la síntesis verdadera. Al ofrecer una interpretación completamente innovadora, Richard Feynman (11 de mayo de 1918 - 15 de febrero de 1988) jugó un papel crucial. Según su perspectiva, la luz no es un ente que decide entre ser onda o partícula. Es una excitación del campo electromagnético y su comportamiento surge de la suma de todas las potencialidades.
En 1982 Alain Aspect (nacido el 15 de junio de 1947) realizó en Francia una serie de experimentos con fotones entrelazados que verificaron infracciones a las desigualdades de Bell y supusieron un fortalecimiento de la interpretación cuántica frente a teorías clásicas sobre variables ocultas locales.
En 1986, Philippe Grangier y Gérard Roger realizaron un experimento con fotones individuales que demostraba, con un solo aparato, el comportamiento corpuscular y ondulatorio, dependiendo de la clase de mediciones que se hicieran. Estos resultados confirmaron que la dualidad no era un impedimento experimental, sino una consecuencia de la naturaleza.
Esta dualidad se mantuvo por décadas como un concepto complejo y abstracto hasta que el equipo liderado por Fabrizio Carbone (nacido en Italia en 1976) en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne tomó la primera imagen de la luz comportándose a la vez como partícula y onda, en el año 2015.
Fabrizio Carbone, en 2011.
La luz fue atrapada en una onda estacionaria mediante un nanocable metálico iluminado con pulsos de láser, lo que demostró su carácter ondulatorio. Después, cuando se disparó un flujo de electrones junto al nanocable, estos intercambiaron paquetes discretos de energía que fueron detectados por un microscopio electrónico ultrarrápido.
La luz fue atrapada en una onda estacionaria mediante un nanocable metálico iluminado con pulsos de láser, lo que demostró su carácter ondulatorio
Esto permitió revelar simultáneamente los saltos de energía cuantizados. La contradicción que Bohr y Einstein solo podían concebir se vio por primera vez de manera directa: la luz es simultáneamente una onda y una partícula.
Este hito no es simplemente una conquista experimental, sino que también tiene un impacto directo en la tecnología contemporánea y en la comprensión del cosmos. La microscopía electrónica utiliza la longitud de onda muy corta de los electrones para ver estructuras atómicas que no serían visibles con luz visible.
La computación cuántica emplea la superposición de estados de los fotones para procesar datos con una velocidad exponencialmente superior a la que ofrecen las computadoras tradicionales. Como cualquier intento de medición cambia la condición del fotón y muestra la intrusión, la criptografía cuántica permite que las comunicaciones sean seguras. La energía solar se fundamenta en el fotón, que es una partícula energética. A través del efecto fotoeléctrico, las celdas fotovoltaicas son capaces de transformar la luz en electricidad de manera directa.
¿Quieres saber más?Enlaces de interés
1photoelectric effect summary | Britannica
212.3: El Efecto Fotoeléctrico - LibreTexts Español
3El efecto fotoeléctrico. Museo Virtual de la Ciencia del CSIC
4El Efecto fotoeléctrico – Instituto de Física PUCV
5photo effect « Einstein-Online
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