Historia de la óptica

La luz y los fenómenos relacionados con ella han desempeñado un papel fundamental en la evolución y el desarrollo de la humanidad. Difícil sería imaginar un mundo envuelto en la eterna oscuridad; lo que sí es claro es que sería muy diferente del mundo en que vivimos... y mucho menos interesante.

Tomando esto en cuenta, no es de sorprender que la óptica haya surgido como una de las primeras ramas de las ciencias naturales: desde épocas muy remotas el hombre se ha sentido atraído por los fenómenos luminosos, que despertaban en él gran curiosidad, y que le aportaban, además, una variedad de beneficios prácticos.

Un fragmento de un antiguo documento griego encontrado en Egipto habla de algunas ilusiones ópticas. Entre ellas menciona un conocido efecto visual que no ha dejado de intrigar a la humanidad; el agrandamiento aparente del Sol y de la Luna cuando se acercan al horizonte.

En un pasaje de Las nubes, divertida comedia de Aristófanes que data del siglo V a.C., se habla de una piedra transparente que se surte en las boticas y que sirve para encender el fuego y para fundir la cera con la luz del Sol. Curiosamente, si bien había entre los griegos un conocimiento de las propiedades de los espejos y de los "cristales encendedores", no parece que hayan desarrollado la habilidad de producir amplificación de imágenes con la ayuda de estos objetos; para ello habría que esperar hasta la Edad Media.

Los filósofos naturales de la antigua Grecia propusieron algunas teorías ópticas en las que se confundía la luz con el fenómeno de la visión. Según decían los pitagóricos, la visión es causada por la proyección de imágenes lanzadas desde los objetos hacia el ojo. En cambio, Euclides y los platónicos sostenían que la sensación visual se produce cuando los "haces oculares" enviados desde los ojos chocan con los objetos. Podría resumirse la idea de los platónicos acerca de la visión diciendo: "Ojos que no ven, luz que no existe".

Aristóteles rechazaba estas dos teorías de la visión, y proponía en cambio que el medio entre el objeto y el ojo desempeña un papel esencial. Decía que cuando este medio (que puede ser el aire o el agua, por ejemplo) está en reposo, hay oscuridad; excitado por el "fuego" de un objeto, el medio pasa al estado activo y se vuelve transparente. Los colores del objeto pueden entonces viajar hasta nuestros ojos; del "estado de actividad" del medio dependerá qué colores puede transmitir.

También los matemáticos griegos se preocuparon por la óptica, pero por sus aspectos geométricos. Por ejemplo, a la pregunta de por qué los objetos se vuelven invisibles con la distancia, respondían que los rayos visuales que salen del ojo son divergentes, y cuanto más se alejan de éste, tanto más espacio dejan entre ellos. Observaciones geométricas tan importantes como la propagación rectilínea de la luz, y la igualdad de los ángulos de incidencia y de reflexión se hallan en los escritos sobre óptica atribuidos a Euclides, el gran geómetra alejandrino.

Los famosos espejos cóncavos que según la historia emplearon los siracusanos para quemar las naves del invasor romano fueron producto de los estudios ópticos de Arquímedes. Desgraciadamente este invento no parece haber logrado su cometido, porque los romanos sitiaron la isla de Siracusa —y aunque aparentemente por error de un soldado— mataron a Arquímedes. Sin embargo, la obra de este científico llegó a ejercer una influencia importante hasta los dos primeros siglos de nuestra era inspirado en sus hallazgos, Herón estudió los espejos de diversas formas: planos, cóncavos y convexos, y logró fundir en una las dos leyes de la reflexión especular. Escribe en su obra Catoptrica: "el rayo, sea o no reflejado, sigue siempre el camino más corto entre el objeto y el ojo". Esta aseveración sería retomada por Fermat en el siglo XVII, quien la reformuló en términos más generales.

También el fenómeno de la refracción llamó la atención de los griegos. Una contribución importante a su estudio se la debemos al astrónomo Claudio Tolomeo, quien en su Libro quinto de óptica informa de la construcción de un aparato para medir con exactitud los ángulos de incidencia y de refracción, si bien no logró formular la ley de la refracción, que todavía Kepler, en el siglo XVII, buscaría en vano. Al estudiar la refracción producida por la atmósfera, Tolomeo advirtió que su magnitud aumenta con la distancia de los astros al cenit, por lo que sus efectos son más notables en la cercanía del horizonte.

En Occidente durante la edad media el monje franciscano Roger Bacon se atrevió a cuestionar los cánones aristotélicos. Entre otras cosas, Bacon estudió a fondo la obra de la escuela árabe. Era un aficionado de la óptica, y consideraba que esta ciencia, "además de ser bella, es indispensable para el conocimiento de otras ciencias".

Hay quienes consideran que Bacon fue el inventor de los anteojos. Se dice que recomendaba su uso a los ancianos y a las personas de vista débil, y que era tan experto en estos menesteres, que al usar los lentes personalmente podía enterarse en Oxford de lo que estaba sucediendo en París. Habría que aclarar que ya en aquellos tiempos la tecnología del pulido de cristales estaba muy desarrollada en el norte de Italia, y probablemente los vidrieros venecianos o pisanos se adelantaron a Bacon con el invento. Aun así, las aportaciones de Bacon a la sistematización de la óptica como ciencia fueron importantes, si bien sus ideas innovadoras, en particular su Llamado a la ciencia experimental lanzado desde la prisión, no encontrarían eco hasta el Renacimiento.

De la impresionante obra de Leonardo da Vinci, primera gran figura de la época, una parte está dedicada a la óptica. Entre otras cosas, formuló una teoría de la visión, en la que el ojo es comparado a una cámara oscura. Es muy probable, por cierto, que al igual que otros pintores de la época, Leonardo se haya valido de la cámara oscura para hacer sus croquis e incorporar los principios de la perspectiva en su pintura. Dice en uno de sus manuscritos: "Una pequeña apertura en el postillo de la ventana proyecta sobre la pared interior del cuarto una imagen de los cuerpos que están más allá de la apertura".

A la revolución científica del Renacimiento contribuyó de manera; importante la invención de instrumentos que ampliaban las posibilidades de observación y permitían una experimentación cuantitativa. De los instrumentos ópticos desarrollados en la época, sin duda los más importantes son el telescopio y el microscopio.

Galileo Galilei, quien durante 30 años se dedicó a hacer experimentos en física, escribe en las primeras páginas de su libro Siderius Nuntius ("El mensajero de las estrellas"), publicado en 1610: "Hace diez meses llegó a mis oídos la noticia de que un holandés había hecho una lente para espiar, que hace que los objetos distantes parezcan cercanos. Al cabo de un breve tiempo logré fabricar un instrumento similar, a través de un estudio profundo de la teoría de la refracción." Galileo debe de haber trabajado arduamente esos días, porque no contaba con la ley de la refracción, que fue establecida sólo 11 años más tarde por W. Snell, un joven holandés. En cuanto tuvo armado un buen telescopio, Galileo lo dirigió hacia el firmamento y hacia la Tierra. Los descubrimientos celestes (incluidos cuatro de los satélites de Júpiter) los consignó rápidamente en la obra antes mencionada.

Alguno de los escolásticos —que abundaban todavía en la época de Galileo y lo atacaron ferozmente por sus revelaciones— llegó a afirmar que los fenómenos celestes vistos por Galileo "no son más que ilusiones ópticas, y para verlas es necesario fabricar un anteojo que las produzca". El célebre astrónomo Johannes Kepler, en cambio, a quien Galileo envió uno de sus primeros telescopios, estaba encantado con el instrumento, lo perfeccionó y lo usó para compilar las tablas de datos sobre el movimiento de los planetas alrededor del Sol, que constituyeron la base para el establecimiento de sus trascendentales leyes sobre el movimiento planetario. En su esfuerzo por perfeccionar el telescopio, Kepler dedicó un año al estudio de la formación de imágenes. El libro Dioptrice (publicado en 1611) que contiene los resultados de este trabajo, se convirtió en texto para estudiosos de la óptica durante muchos años.

Un contemporáneo de Isacc Newton, el astrónomo danés Olaf Römer, se había dedicado a medir con cuidado los periodos de rotación de los satélites de Júpiter y así descubrió, en l676, que cuando uno de estos satélites se encuentra atrás de Júpiter, su luz tarda más tiempo en llegar a la Tierra que cuando se encuentra adelante de él. De esto extrajo una conclusión muy importante: que la luz no es un fenómeno instantáneo, sino que necesita tiempo para propagarse, por lo que debe viajar a una. velocidad finita.

Éste y otros descubrimientos de la época sirvieron al físico holandés Christiaan Huygens para reunir sus propias ideas acerca de la luz. Semejante al sonido, decía, la luz es también una vibración que se propaga. Con base en esta hipótesis, logró explicar simultáneamente la mayoría de los fenómenos ópticos con una gran simplicidad. Su obra Traité de la lumière, escrita en 1678, representa el primer intento de desarrollo de la teoría ondulatoria de la luz, si bien un esbozo de esta teoría ya había sido adelantado por Robert Hooke como resultado de sus observaciones sobre difracción e interferencia.

Las ideas de Huygens sobre la naturaleza ondulatoria de la luz no fueron aceptadas por la mayoría de sus contemporáneos. Ya René Descartes había afirmado que la luz se compone de corpúsculos acelerados. Isaac Newton adoptó esta proposición y la incorporó en su teoría de la emisión de la luz. Newton descartaba la hipótesis ondulatoria de Huygens, entre otras cosas porque no podía explicar con ella la propagación rectilínea de la luz.

Además de su trascendental contribución a la dinámica, Newton hizo una serie de estudios importantes en óptica. En 1660, a los 18 años de edad, ya había fabricado un telescopio pequeño y poco potente, pero con una innovación: usó espejos en vez de lentes, para evitar la aberración cromática que da lugar a imágenes con franjas de colores alrededor de los objetos. Los telescopios reflectores se convirtieron rápidamente en importantísimo instrumento de la astronomía.

Pero a Newton, más que usar el instrumento, lo que le interesaba era estudiar esas franjas de colores, entender su origen y, de ser posible, aprender a eliminarlas para mejorar la calidad de las imágenes. Esto lo motivó a emprender una serie de estudios con prismas y luz blanca. Así obtuvo el espectro de los colores. Observó que el prisma no modifica la luz, sino que sólo la separa físicamente, y concluyó que cada uno de los colores se distingue por su "refractabilidad". Algunos de sus contemporáneos se decepcionaron con este descubrimiento, porque se había pensado que el blanco representaba la pureza, ¡no una mezcla de colores!.

En el libro Opticks, escrito años más tarde, Newton informa de sus experimentos con prismas, así como otras observaciones que se refieren a la transversalidad de los rayos luminosos, a la difracción y a la interferencia. En particular describe los famosos anillos que llevan su nombre.

El siglo XIX se inició con una serie de pruebas que sugerían que la luz es de naturaleza ondulatoria. La prueba más importante provino de los experimentos que mostraron la existencia de la interferencia, realizados por Thomas Young entre 1801 y 1804. Young explicó los anillos de Newton como debidos a la superposición de ondas. Contando el número de anillos, llegó incluso a determinar la longitud de onda de la luz: encontró que en una pulgada caben 37 640 ondas rojas y 59 750 ondas violetas.

Este descubrimiento es sumamente importante, porque pone de manifiesto una relación directa entre el color —que representa una sensación visual— y un parámetro físico, como lo es la longitud de onda. Resulta, de acuerdo con lo establecido por Young, que la longitud de onda de la luz es muy pequeña, del orden de 0.00005 cm, o sea, la mitad de una micra, correspondiéndole al violeta una longitud menor que al rojo. A los colores intermedios del arco iris les corresponden valores intermedios de la longitud de onda.

Las publicaciones de Young acerca de la interferencia son consideradas hoy día la obra más trascendente en óptica física aparecida después del libro de Newton. Pero en su época, en que dominaba la concepción mecanicista del Universo, no eran nada bien vistas. Por ejemplo, escribía uno de sus críticos que los artículos de Young "no contienen nada que merezca el nombre de experimento o descubrimiento [...] su único efecto puede ser el de detener el progreso de la ciencia". Young publicó un folleto en el que respondía a estas críticas con serios argumentos, pero de esta publicación se vendió un solo ejemplar.

Así las cosas, prefirió dedicarse a otros temas de estudio, hasta que en 1815 la teoría ondulatoria fue revivida por Augustin Fresnel a través de sus estudios de la difracción y la interferencia —sin tener conocimiento de los trabajos de Young. Poco a poco la teoría fue ganando terreno, al poder explicar fenómenos tan diversos como los colores de las pompas de jabón, los anillos de Newton, la polarización, la birrefringencia, e incluso la propagación rectilínea de la luz. Sólo mucho después, a principios del siglo XX, surgen nuevos fenómenos que dirigen la atención de los físicos hacia una renovada imagen corpuscular de la luz.

Los éxitos de la teoría ondulatoria revivieron el interés por determinar con precisión la velocidad de la luz. Según la teoría de emisión de Newton, la luz debía viajar más rápido en un medio ópticamente denso que en el aire; según la teoría ondulatoria debía suceder lo contrario. Claro que hace 150 años medir la velocidad de la luz con precisión no era tarea sencilla, porque la luz viaja sumamente rápido. En 1849, Fizeau, en Francia, diseñó un método estroboscópico similar al que se ilustra en la figura 32, aunque algo más complicado, en virtud de la alta velocidad de la luz. Las mediciones de Fizeau, y todas las realizadas posteriormente, le dieron la razón a la segunda teoría: la luz disminuye su velocidad al entrar en un medio ópticamente denso.

Los experimentos estroboscópicos se fueron haciendo cada vez más elaborados. En 1972, el norteamericano A. Michelson usó luz reflejada desde el monte Wilson hasta el monte San Antonio, a 35 km de distancia, y así obtuvo el valor de 299 798 km/seg, con una precisión de 0.001%.

La velocidad de la luz es considerada una de las constantes físicas más importantes, y en especial ocupa un lugar central en las teorías del electromagnetismo y de la relatividad. Pero, ¿qué tiene que ver la luz con el electromagnetismo?

La primera prueba de que la luz está relacionada con fenómenos eléctricos y magnéticos la obtuvo Michael Faraday, gran experimentador inglés, en 1845. "Finalmente he logrado iluminar una curva magnética y magnetizar un rayo de luz", escribe, refiriéndose al cambio de polarización que sufre la luz al pasar por un vidrio que está sujeto a un campo magnético. Éste y otros experimentos de Faraday y de algunos contemporáneos suyos sirvieron de base para la teoría electromagnética de la luz, desarrollada y expresada en lenguaje matemático por el escocés James C. Maxwell.

La teoría de Maxwell, que describe en forma unificada el conjunto de fenómenos eléctricos y magnéticos, condujo a muchas predicciones nuevas, que posteriormente fueron comprobadas experimentalmente. Una de las más importantes fue que pueden existir ondas de radiación de campo eléctrico y magnético, que estas ondas viajan con la velocidad de la luz, y que ésta es, en efecto, radiación portadora de energía, y por esta misma razón ejerce una presión al chocar contra una superficie.

En nuestra experiencia común, la presión de la luz es tan pequeña que no la detectamos; pero en el interior de las estrellas sí puede llegar a ser significativa. La presión de la radiación solar es responsable nada menos que de la cola de los cometas.

El vaticinio de Maxwell acerca de las ondas de radiación electromagnética fue confirmado 15 años más tarde, en 1888, por Heinrich Hertz al producir ondas por medio de cargas oscilantes y detectarlas por medio de antenas. Este experimento fue la piedra angular para el desarrollo de la radio y de toda la comunicación inalámbrica.

En realidad, las ondas de radio no son las primeras ondas invisibles que fueron descubiertas. Ya en 1800 el astrónomo William Herschel, al medir el calentamiento producido por los distintos colores de la luz solar, había observado que más allá del rojo hay una radiación que no se ve, pero que calienta. Lo que descubrió así fue la radiación infrarroja, de longitud de onda menor que un mm. (Las ondas de Hertz, en cambio, tienen una longitud de varios metros.) En la misma época, el físico Wilhelm Ritter, en Alemania, y el médico John Wollaston, en Inglaterra, descubrieron una radiación oscura que tiene efectos químicos: se trataba de la luz ultravioleta, de longitud de onda más pequeña que la de la luz visible.

En 1895 fue descubierto otro tipo de ondas, de longitud aún más pequeña: los rayos X Pero al igual que sucedió con las otras radiaciones mencionadas, cuando Röntgen hizo su descubrimiento no sabía que se trataba de ondas electromagnéticas. Esto vino a ser confirmado apenas en 1912, cuando Max von Laue mostró que los rayos X se difractan al igual que otras ondas.

Poco a poco se fue cubriendo el espectro completo de la radiación electromagnética, desde las ondas de radio de 10 km hasta los rayos y (gamma) de 0.00000000001 cm.

Así, el trabajo de Maxwell, Hertz y muchos otros científicos del siglo XIX abrió no sólo una nueva ventana a nuestra visión de la naturaleza, sino también una nueva puerta al desarrollo tecnológico.

De la misma manera en el campo de la iluminación se dieron grandes avances, merced a la extensión del uso de la electricidad. En los años sesenta del siglo pasado, el alumbrado público aún se hacía con lámparas de arco, pero éstas eran ineficientes y requerían mucho mantenimiento. Ya era claro para entonces que el futuro de la iluminación estaba en la lámpara de filamento incandescente, pero ésta no se pudo fabricar antes de aprender a extraer el aire de la lámpara, para evitar la combustión del filamento.