Luz para niños
La luz es una parte especial de la radiación electromagnética que nuestros ojos pueden ver. En física, la luz se entiende como una onda que se mueve y nos permite ver todo a nuestro alrededor. Cuando hablamos de "luz visible", nos referimos específicamente a la parte de esa radiación que podemos percibir.
La luz está hecha de partículas muy pequeñas sin masa llamadas fotones. Estas partículas tienen propiedades que se comportan como ondas y como partículas a la vez, lo que explica cómo funciona la luz. A veces, la luz vibra en una dirección específica; a esto se le llama luz polarizada, aunque nuestros ojos no pueden distinguirla de la luz normal.
La óptica es la parte de la física que estudia la luz, sus características y cómo se manifiesta.
Contenido
- ¿Qué tan rápido viaja la luz?
- Cómo se comporta la luz
- Historia de cómo entendimos la luz
- ¿Qué es la luz realmente?
- El espectro de la luz
- Galería de imágenes
- Véase también
¿Qué tan rápido viaja la luz?
Se ha comprobado que la luz tiene una velocidad limitada. La primera vez que se midió con éxito fue en 1676 por el astrónomo danés Ole Rømer. Desde entonces, muchos experimentos han mejorado esa medición. Hoy sabemos que la velocidad exacta de la luz en el vacío es de 299.792.458 metros por segundo (m/s).
Cuando la luz viaja a través de materiales como el agua o el vidrio, su velocidad es menor que en el vacío. Esto depende de las características del material. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y en un material se llama índice de refracción de ese material.
Cómo se comporta la luz
Refracción: Cuando la luz cambia de dirección
La refracción es el cambio brusco de dirección que sufre la luz cuando pasa de un material a otro. Esto ocurre porque la luz viaja a diferentes velocidades según el material por el que se mueve. Cuanto mayor sea el cambio de velocidad, mayor será el cambio de dirección. La ley de Snell explica cómo se relaciona el cambio de ángulo con el cambio de velocidad.
Como la refracción depende de la energía de la luz, cuando la luz blanca (que tiene todos los colores) atraviesa un objeto como un prisma, se separa en sus diferentes colores. Esto se llama dispersión refractiva. Si el objeto tiene caras paralelas, la luz se vuelve a unir al salir.
Un ejemplo común de refracción es cuando un lápiz parece "roto" al meterlo en un vaso con agua, o la formación del arcoíris.
Propagación y difracción: El camino de la luz
Una de las propiedades más claras de la luz es que se mueve en línea recta. Podemos verlo, por ejemplo, en los rayos de luz que atraviesan el polvo en el aire. La óptica geométrica usa esta idea para predecir dónde estará la luz en un momento dado.
Las sombras se forman cuando la luz se encuentra con un objeto. Si pones un objeto opaco en el camino de la luz y luego una pantalla, verás la sombra del objeto. Si la fuente de luz está lejos del objeto, la sombra será definida. Si la fuente de luz está cerca, la sombra tendrá una parte más clara llamada penumbra y una parte más oscura llamada umbra.
Sin embargo, la luz no siempre viaja en línea recta. Cuando la luz pasa por un borde afilado o una abertura muy estrecha, el rayo se curva un poco. Este fenómeno se llama difracción. Por eso, al mirar por un agujero muy pequeño, todo se ve un poco distorsionado.
Interferencia: Cuando las ondas de luz se encuentran
La interferencia ocurre cuando dos ondas de luz se encuentran y se combinan. Un experimento famoso para entender esto es el experimento de Young. En este experimento, la luz de un solo color pasa por dos rendijas muy pequeñas. La luz que sale de esas rendijas se combina en una pantalla, creando bandas claras y oscuras. Las bandas claras son donde las ondas se suman (interferencia constructiva), y las oscuras donde se anulan (interferencia destructiva).
Puedes ver la interferencia en la vida diaria, como en las manchas de aceite sobre el agua o en la superficie de los discos compactos. Cuando la luz blanca los ilumina, se difracta y se cancelan algunos colores, permitiéndonos verlos separados, como en un arcoíris.
Reflexión y dispersión: El rebote y la separación de la luz
Cuando la luz choca con un objeto, el material del objeto absorbe la energía por un momento y luego la devuelve en todas direcciones. Esto se llama reflexión. En superficies muy lisas, como los espejos o los metales pulidos, la mayor parte de la luz se refleja con el mismo ángulo con el que llegó.
También existe la reflexión interna total, que ocurre cuando un rayo de luz intenta salir de un material donde viaja más lento a otro donde viaja más rápido, con un ángulo específico. En lugar de salir, la luz se refleja completamente. Esto es lo que hace que los diamantes tallados brillen tanto.
En el vacío, todos los colores de la luz viajan a la misma velocidad. Pero cuando la luz atraviesa materiales, su velocidad disminuye y varía para cada color. Este efecto se llama dispersión. Gracias a la dispersión, podemos ver los colores del arcoíris. El cielo es azul por la luz del sol dispersada por la atmósfera. Las nubes y la leche son blancas por la dispersión de la luz en las gotitas de agua o partículas de grasa que contienen.
Polarización: La luz en una dirección
La polarización se observa con ciertos cristales transparentes. Si colocas dos de estos cristales en fila, paralelos, y giras uno de ellos, la luz puede dejar de pasar. Si sigues girando, la luz volverá a pasar con la máxima intensidad cuando el cristal haya girado 90 grados.
La luz también puede polarizarse al reflejarse. La luz reflejada puede estar parcial o totalmente polarizada, dependiendo del ángulo en que incide. El ángulo que causa una polarización total se llama ángulo de Brewster.
Muchas gafas de sol y filtros de cámaras usan cristales polarizadores para eliminar reflejos molestos.
Efectos químicos: La luz que transforma
Algunas sustancias, al absorber luz, sufren cambios químicos. Usan la energía de la luz para reaccionar, cambiar su estructura o romper enlaces.
Ejemplos de esto son la fotosíntesis en las plantas, donde crean azúcares usando dióxido de carbono, agua y luz; la producción de vitamina D en nuestra piel con la luz del sol; o cómo vemos, que ocurre por un cambio en una molécula del ojo gracias a la luz. La fotoquímica es la rama de la química que estudia estos fenómenos.
Historia de cómo entendimos la luz
Al principio del siglo XVIII, se pensaba que la luz estaba hecha de pequeñas partículas. Fenómenos como la reflexión y la refracción parecían encajar con esta idea. Isaac Newton apoyó esta teoría, explicando que las partículas de luz cambiaban de velocidad al pasar por diferentes materiales. La comunidad científica, por el gran prestigio de Newton, aceptó su idea.
Sin embargo, Christian Huygens había propuesto en 1678 que la luz era una onda que viajaba a través de un medio llamado éter. Esta teoría fue olvidada hasta el siglo XIX, cuando Thomas Young pudo explicar la interferencia de la luz solo si la consideraba una onda. Otros estudios de esa época también explicaron la difracción y la polarización con la teoría ondulatoria.
En 1848, se midió la velocidad de la luz en diferentes materiales y se vio que cambiaba de forma opuesta a lo que Newton había pensado. Esto hizo que casi todos los científicos aceptaran que la luz era una onda. Pero aún había preguntas, como ¿cómo viajaba la luz por el vacío si las ondas necesitaban un medio? Se pensaba en el éter, pero nadie lo encontraba.
En 1845, Michael Faraday descubrió que un campo magnético podía cambiar la polarización de la luz. Poco después, James Clerk Maxwell, basándose en el trabajo de Faraday, estudió matemáticamente las ondas electromagnéticas. Se dio cuenta de que estas ondas siempre viajaban a una velocidad constante, que era la misma que la velocidad de la luz, y que no necesitaban un medio para propagarse. Esto confirmó que la luz era una onda electromagnética.
Pero a finales del siglo XIX, aparecieron nuevos efectos que no podían explicarse solo con la teoría ondulatoria, como el efecto fotoeléctrico (la emisión de electrones de una superficie cuando es iluminada). Los estudios sobre cómo la materia absorbe y emite energía solo se podían explicar si la luz estaba hecha de partículas. La ciencia se encontró con un problema: la luz se comportaba a veces como onda y a veces como partícula.
Este desafío de entender la dualidad onda-partícula impulsó mucho el desarrollo de la física en el siglo XX.
¿Qué es la luz realmente?
La luz tiene una naturaleza compleja: a veces se comporta como una onda y a veces como una partícula. Estos dos comportamientos no se excluyen, sino que se complementan (esto se llama dualidad onda-partícula).
La luz como onda
¿Cómo funciona la teoría ondulatoria?
Esta teoría, desarrollada por Christiaan Huygens, dice que la luz es una onda electromagnética. Esto significa que es un campo eléctrico que cambia y crea un campo magnético, y este a su vez crea un campo eléctrico, y así sucesivamente. De esta forma, la onda se propaga por el espacio sin parar. Estas ondas son como las olas del mar, con los campos eléctrico y magnético vibrando de forma perpendicular entre sí y a la dirección en que viaja la luz.
Para describir una onda de luz, usamos términos como:
- Amplitud (A): Qué tan "alta" es la onda desde su punto de equilibrio.
- Periodo (T): El tiempo que tarda una onda en pasar por un punto.
- Frecuencia (ν): Cuántas veces vibra la onda por segundo. Es lo opuesto al periodo.
- Longitud de onda (λ): La distancia entre dos puntos iguales de ondas seguidas.
- Velocidad de propagación (V): La distancia que recorre la onda en un segundo. En el vacío, se usa la letra c.
Estos conceptos están relacionados por fórmulas matemáticas.
Fenómenos que explican las ondas
Muchos fenómenos de la luz se entienden mejor si pensamos en ella como una onda.
El principio de superposición de ondas explica la interferencia. Si dos ondas con la misma longitud y amplitud se encuentran, pueden sumarse (interferencia constructiva, creando una onda más fuerte) o anularse (interferencia destructiva, donde la luz desaparece). El experimento de Young muestra esto claramente.
Las ondas cambian de dirección al pasar por un obstáculo o una abertura estrecha. Esto se llama difracción. El principio de Fresnel - Huygens dice que cada punto de una onda es como una nueva fuente de ondas que se propagan en todas direcciones. La suma de estas nuevas ondas hace que la luz siga su camino original, pero si hay un obstáculo, la dirección puede cambiar.
La refracción también se explica con este principio: las nuevas ondas generadas en el nuevo material no viajan a la misma velocidad, lo que cambia la dirección de la luz.
La polarización es otro fenómeno que demuestra la naturaleza ondulatoria de la luz. La luz normal vibra en todas direcciones. Un polarizador solo deja pasar las ondas que vibran en un ángulo específico. Si pones otro polarizador después, y lo giras, la cantidad de luz que pasa cambiará, hasta que no pase nada si los polarizadores están a 90 grados.
Esto también demuestra que las ondas de luz vibran de forma perpendicular a la dirección en que se mueven.
Las ecuaciones de Maxwell y el efecto Faraday confirmaron que las ondas de luz son de naturaleza electromagnética y que no necesitan un medio material para viajar.
La luz como partícula
¿Cómo funciona la teoría corpuscular?
La teoría corpuscular ve la luz como un flujo de partículas sin carga ni masa llamadas fotones. Estas partículas pueden transportar todas las formas de radiación electromagnética. Esta idea volvió a ser importante porque la luz, al interactuar con la materia, intercambia energía en cantidades específicas, llamadas cuantos. Esto es más fácil de entender si pensamos en la luz como partículas.
Fenómenos que explican las partículas
Hay tres efectos que demuestran que la luz se comporta como partículas. El primero que no se pudo explicar con la teoría ondulatoria fue la radiación del cuerpo negro.
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Un cuerpo negro es un objeto ideal que absorbe toda la luz que le llega y, cuando se calienta, emite luz de forma perfecta. La forma en que emitía luz no coincidía con las predicciones de la física clásica. Para explicarlo, Max Planck, a principios del siglo XX, propuso que la luz se absorbe en "paquetes" de energía llamados cuantos, donde la energía de cada paquete depende de la frecuencia de la luz.
En 1905, Albert Einstein usó la idea de los cuantos de Planck para explicar el efecto fotoeléctrico. Este efecto ocurre cuando la luz ilumina una superficie y hace que se desprendan electrones. Lo curioso era que los electrones salían de inmediato, sin importar qué tan débil fuera la luz, siempre que tuviera una cierta frecuencia mínima. Einstein explicó que la luz estaba formada por fotones, y cada fotón tenía suficiente energía para "golpear" un electrón y hacerlo salir.
La prueba final la dio Arthur Compton, quien observó que cuando los rayos X chocaban con elementos ligeros, se dispersaban con menos energía y también se desprendían electrones. Compton explicó esto tratando la luz como partículas que chocan elásticamente con los electrones, como bolas de billar. El fotón golpea al electrón, el electrón sale disparado con parte de la energía del fotón, y el fotón refleja su menor energía en su frecuencia.
Otro fenómeno que apoya la teoría corpuscular es la presión luminosa.
Teorías cuánticas: Uniendo onda y partícula
Para unir la idea de la luz como onda electromagnética (explicada por las ecuaciones de Maxwell) con la idea de los fotones como partículas, surgieron varias teorías. Estas teorías incluyen la teoría de la electrodinámica cuántica y la mecánica cuántica.
Paul Dirac dio un paso importante con su ecuación de ondas. Esta ecuación, aunque describe ondas electromagnéticas, sus soluciones requerían que las ondas estuvieran "cuantizadas", es decir, que se comportaran como partículas. Gracias a esta ecuación, podemos calcular la probabilidad de que ocurra una interacción de luz en una región específica.
Aunque todavía hay desafíos, estas teorías, junto con experimentos con partículas elementales, nos han ayudado a entender mejor la luz.
Efectos relativistas: La luz y el movimiento
Había situaciones en las que la luz no se comportaba como se esperaba.
La luz en movimiento
Cuando la luz se emitía o recibía por objetos en movimiento, se esperaba que su velocidad se sumara o restara a la velocidad del objeto, según la física clásica. Pero no siempre era así.
En 1818, Augustin Fresnel propuso un experimento para medir la velocidad de la luz en un líquido en movimiento. En 1851, Hippolyte Fizeau lo llevó a cabo y encontró que la velocidad de la luz en el líquido no era la suma simple de las velocidades.
En 1725, James Bradley descubrió que la posición de las estrellas cambiaba anualmente. Explicó que esto se debía a la combinación de la velocidad de la Tierra alrededor del Sol y la velocidad finita de la luz. Más tarde, George Biddell Airy hizo un experimento similar y encontró que la velocidad de la luz no cambiaba, incluso si el fluido se movía con la Tierra.
Los físicos estadounidenses Albert Michelson y Edward Morley hicieron un famoso experimento (el Experimento de Michelson y Morley) para medir la velocidad del éter con respecto a la Tierra. Esperaban que la velocidad de la luz cambiara según la época del año debido al movimiento de la Tierra, pero no encontraron ninguna diferencia.
En 1905, Albert Einstein dio una explicación con su teoría de la relatividad especial. Su segundo postulado dice que la velocidad de la luz es siempre la misma, sin importar el movimiento del observador o de la fuente de luz.
Distorsiones en el espectro de la luz
Al comparar la luz de algunos objetos celestes con la luz de los mismos elementos en el laboratorio, se ve que las líneas de color de la luz del espacio están desplazadas hacia el rojo (hacia longitudes de onda más largas y menos energía).
Hay dos tipos de desplazamientos:
- Desplazamiento nebular
Es un desplazamiento común en la luz de estrellas y galaxias. Edwin Hubble lo interpretó como el resultado del efecto Doppler debido a la expansión del universo. Gracias a esto, propuso una fórmula para calcular la distancia a un objeto analizando el desplazamiento de su espectro.
- Desplazamiento gravitacional
Este es más raro y se observa en objetos muy densos. Un ejemplo famoso es la luz del compañero oscuro de Sirio, una enana blanca extremadamente densa. Su espectro muestra un desplazamiento hacia el rojo.
La teoría de la relatividad general
Para incluir la gravedad en su teoría, Albert Einstein desarrolló la teoría de la relatividad general. Una de sus conclusiones es que la gravedad afecta la propagación de la luz.
Einstein descubrió que la luz, al pasar por un campo gravitatorio, disminuye su velocidad. También cambia la frecuencia de la luz emitida por una fuente en un campo gravitatorio, lo que explica el desplazamiento gravitacional. Las líneas de color de la luz del sol están ligeramente desplazadas hacia el rojo en comparación con las de los mismos elementos en la Tierra.
Además, esta teoría predijo que los rayos de luz se desvían al pasar cerca de un cuerpo muy pesado debido a su campo gravitatorio. Esto se confirmó experimentalmente al estudiar cómo el sol desviaba la luz de las estrellas durante un eclipse en 1931.
Radiación y materia: La luz y la creación
Cuando Paul Dirac formuló su ecuación de ondas para un electrón, predijo que era posible crear un par de electrones (uno con carga positiva y otro con carga negativa) a partir de un campo electromagnético muy rápido. Esto fue confirmado por experimentos que mostraron que los rayos γ de alta frecuencia podían crear pares de electrones y positrones (electrones con carga positiva).
Hoy sabemos que se pueden crear pares electrón-positrón de muchas maneras, como al chocar partículas pesadas o fotones.
También ocurre lo contrario: cuando un electrón y un positrón chocan, se aniquilan y toda su masa se convierte en energía radiante, que se emite como dos fotones de rayos γ.
Esta relación entre materia y radiación, y la conservación de la energía en estos procesos, se describe en la famosa ecuación de Albert Einstein: Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \displaystyle E = m \, c^2 que significa que la energía (E) es igual a la masa (m) multiplicada por la velocidad de la luz (c) al cuadrado.
Teorías de campo unificado: Un gran rompecabezas
Actualmente, los científicos buscan una teoría que pueda explicar de forma unificada la relación de la luz (como campo electromagnético) con las otras fuerzas fundamentales de la naturaleza. Se intenta representar el electromagnetismo y la gravitación como partes de la geometría del espacio-tiempo, pero aún son teorías en desarrollo.
El espectro de la luz
El espectro electromagnético incluye todos los posibles niveles de energía que la luz puede tener. Esto también significa todas las longitudes de onda posibles, desde miles de kilómetros hasta femtómetros. Por eso, las representaciones del espectro suelen usar una escala logarítmica.
El espectro electromagnético se divide en regiones, clasificadas por cómo se generan y detectan los diferentes tipos de radiación. Por eso, estas regiones no tienen límites exactos y a veces se superponen.
Espectro visible: Lo que nuestros ojos ven
De todo el espectro, la parte que los seres humanos podemos ver es muy pequeña. Esta región se llama espectro visible y abarca longitudes de onda desde los 380 nanómetros hasta los 780 nanómetros. El ojo humano percibe la luz de cada una de estas longitudes de onda como un color diferente. Por eso, cuando la luz blanca se descompone (por un prisma o por la lluvia en el arco iris), vemos todos los colores.
Galería de imágenes
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Luz solar penetrando en la Sacristía de la catedral de Jaén, España.
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Rayo de luz solar dispersado por partículas de polvo en el cañón del Antílope, en Estados Unidos.
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Láseres.
Véase también
En inglés: Light Facts for Kids
