Luz

La luz o luz visible (luminosidad) es una radiación electromagnética dentro de la porción del espectro electromagnético que es percibida por el ojo humano. La luz visible generalmente se define como la que tiene longitudes de onda en el rango de 400 a 700 nanómetros (nm), correspondientes a frecuencias de 750 a 420 terahercios, entre el infrarrojo (con longitudes de onda más largas) y el ultravioleta (con longitudes de onda más cortas).

En física, el término "luz" puede referirse más ampliamente a la radiación electromagnética de cualquier longitud de onda, ya sea visible o no. 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, el espectro de frecuencia o longitud de onda y la polarización. Su velocidad en el vacío, 299 792 458 metros por segundo (m/s), es una de las constantes fundamentales de la naturaleza. Como todos los tipos de radiación electromagnética, la luz visible se propaga mediante partículas elementales sin masa llamadas fotones que representan los cuantos del campo electromagnético y pueden analizarse como ondas y 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 luces eléctricas y sistemas de energía, la iluminación eléctrica ha reemplazado efectivamente a la luz del fuego.

Espectro electromagnético y luz visible

Generalmente, la radiación electromagnética (EMR) se clasifica por 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 campos eléctricos estáticos, magnéticos y cercanos.

El comportamiento de EMR 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 EMR interactúa con átomos y moléculas individuales, su comportamiento depende de la cantidad de energía por cuanto que transporta.

La EMR en la región de la luz visible consta de cuantos (llamados fotones) que se encuentran en el extremo inferior de las energías que son capaces de provocar excitación electrónica dentro de las moléculas, lo que conduce a cambios en el enlace o la química de la molécula. En el extremo inferior del espectro de luz visible, EMR se vuelve invisible para los humanos (infrarrojo) 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, que el cambio desencadena la sensación de la visión.

Existen animales que son sensibles a varios tipos de infrarrojos, pero no por absorción cuántica. La detección infrarroja en las serpientes depende de un tipo de imagen térmica natural, en la que la radiación infrarroja eleva la temperatura de pequeños paquetes de agua celular. La EMR en este rango provoca vibraciones moleculares y efectos de calentamiento, que es como lo 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 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 360 ​​nm) y, de hecho, son dañados por el ultravioleta. Muchos animales con ojos que no requieren lentes (como los insectos y los camarones) son capaces de detectar la luz ultravioleta mediante mecanismos cuánticos de absorción de fotones, de forma muy parecida a como los humanos detectan la luz visible.

Varias fuentes definen la luz visible desde 420 a 680 nm hasta 380 a 800 nm. En condiciones ideales de laboratorio, las personas pueden ver infrarrojos hasta por lo menos 1050 nm; los niños y los adultos jóvenes pueden percibir longitudes de onda ultravioleta hasta aproximadamente 310-313 nm.

El crecimiento de las plantas también se ve afectado por el espectro de color de la luz, un proceso conocido como fotomorfogénesis.

Velocidad de la luz

La velocidad de la luz en el vacío se define exactamente en 299 792 458 m/s (aproximadamente 186 282 millas por segundo). El valor fijo de la velocidad de la luz en unidades 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 la 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. Ole Rømer, un físico danés, realizó uno de los primeros experimentos para medir la velocidad de la luz en 1676. Usando un telescopio, Rømer observó los movimientos de Júpiter y una de sus lunas, Io. Al notar discrepancias en el período aparente de la órbita de Io, calculó que la luz tarda unos 22 minutos en atravesar el diámetro de la órbita de la Tierra. 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 de 227 000 000 m/s.

Hippolyte Fizeau realizó otra medición más precisa de la velocidad de la luz en Europa en 1849. Fizeau dirigió un haz de luz a 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 determinada velocidad de rotación, el rayo pasaría a través de un espacio en la rueda al salir y por el siguiente espacio 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 en 313 000 000 m/s.

Léon Foucault llevó a cabo un experimento en el que utilizó espejos giratorios para obtener un valor de 298 000 000 m/s 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 giratorios mejorados para medir el tiempo que tardó la luz en hacer un viaje de ida y vuelta desde Mount Wilson hasta Mount San Antonio en California. Las mediciones precisas arrojaron una velocidad de 299 796 000 m/s.

La velocidad efectiva de la luz en varias 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 del vacío.

Se dijo que dos equipos independientes de físicos paralizaron la luz pasándola a través de un condensado de Bose-Einstein del elemento rubidio, un equipo en la Universidad de Harvard y el Instituto Rowland para la Ciencia en Cambridge, Massachusetts y el otro en el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica, también en Cambridge. Sin embargo, la descripción popular de la luz que se "detiene" en estos experimentos se refiere solo a la luz que se almacena en los estados excitados de los átomos, y luego se vuelve a emitir en un momento posterior arbitrario, estimulada por un segundo pulso láser. Durante el tiempo que había "parado" había dejado de ser luz.

Óptica

El estudio de la luz y la interacción de la luz y la materia se denomina óptica. La observación y el estudio de fenómenos ópticos como los arcoíris y las auroras boreales ofrecen muchas pistas sobre la naturaleza de la luz.

Refracción

La refracción es la curvatura de los rayos de luz al atravesar una superficie entre un material transparente y otro. Está descrito por la Ley de Snell:{displaystyle n_{1}sin theta _{1}=n_{2}sin theta _{2}.}

donde θ ₁ es el ángulo entre el rayo y la superficie normal en el primer medio, θ ₂ es el ángulo entre el rayo y la superficie normal en el segundo medio y n ₁ y n ₂ son los índices de refracción, n = 1 en un 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) al límite, el cambio en la longitud de onda da como resultado un cambio en la dirección del haz. Este cambio de dirección se conoce como refracción.

La calidad refractiva de las lentes se utiliza con frecuencia para manipular la luz con el fin de cambiar el tamaño aparente de las imágenes. Lupas, anteojos, lentes de contacto, microscopios y telescopios refractores son todos ejemplos de esta manipulación.

Fuentes de luz

Hay 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 kelvin (5730 grados Celsius; 10 340 grados Fahrenheit) alcanza su punto máximo en la región visible del espectro electromagnético cuando se representa en unidades de longitud de onda y aproximadamente el 44 % de la energía solar que llega al suelo es visible. Otro ejemplo son las bombillas de luz incandescente, que emiten solo alrededor del 10% de su energía como luz visible y el resto como luz infrarroja. Una fuente de luz térmica común en la historia son las partículas sólidas brillantes en llamas, pero 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 está en el infrarrojo profundo, a una longitud de onda de unos 10 micrómetros, para objetos relativamente fríos como los seres humanos. A medida que aumenta la temperatura, el pico cambia a longitudes de onda más cortas, produciendo primero un brillo rojo, luego uno blanco y finalmente un color blanco azulado a medida que el pico sale 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 al blanco caliente. La emisión térmica azul-blanca no se ve a menudo, excepto en las estrellas (el color azul puro comúnmente visto en una llama de gas o en un soplete de soldador se debe de hecho a la emisión molecular, especialmente por los radicales CH (que emiten una banda de longitud de onda alrededor de 425 nm y no se ve en las estrellas ni en la 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 (la luz del propio gas caliente, por ejemplo, el sodio en un llama de gas emite una luz amarilla característica). La emisión también se puede estimular, como en un láser o un máser de microondas.

La desaceleración de una partícula con carga libre, como un electrón, puede producir radiación visible: la radiación ciclotrón, la radiación sincrotrón y la radiación bremsstrahlung 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. Ciertos productos químicos 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 por el agua pueden perturbar el plancton 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 excitarse 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:

• bioluminiscencia
• Radiación de Cherenkov
• electroluminiscencia
• Centelleo
• sonoluminiscencia
• triboluminiscencia

Cuando se pretende que el concepto de luz incluya fotones de muy alta energía (rayos gamma), los mecanismos de generación adicionales incluyen:

• Aniquilación partícula-antipartícula
• Desintegración radioactiva

Medición

La luz se mide con dos conjuntos principales alternativos de unidades: la radiometría consiste en mediciones de la potencia de la luz 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 (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 cómo responde el ojo humano a la luz. Las células cónicas en el ojo humano son de tres tipos que responden de manera diferente a lo largo del espectro visible y la respuesta acumulada 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/m) de luz visible no necesariamente aparecen 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 por una cantidad llamada eficacia luminosa y se utilizan para determinar cómo lograr mejor la 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 de carga acoplada (CCD) tienden a responder a algo de infrarrojo, ultravioleta o ambos.

Presión ligera

La luz ejerce presión física sobre los objetos a su paso, un fenómeno que puede deducirse de las ecuaciones de Maxwell, pero que puede explicarse más fácilmente por la naturaleza de partículas de la luz: los fotones golpean 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 unos 3,3 piconewtons sobre el objeto que se ilumina; por lo tanto, uno podría levantar un centavo de los EE. UU. con punteros láser, pero hacerlo requeriría alrededor de 30 mil millones de punteros láser de 1 mW. 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 cambiar los interruptores físicos a escala nanométrica en los circuitos integrados es un área activa de investigación. A escalas más grandes, la presión de la luz puede hacer que los asteroides giren más rápido, actuando sobre sus formas irregulares como si fueran 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.

Aunque el movimiento del radiómetro de Crookes se atribuyó originalmente a una ligera presión, esta interpretación es incorrecta; la característica rotación de Crookes es el resultado de un vacío parcial. Esto no debe confundirse con el radiómetro de Nichols, en el que el (ligero) movimiento causado por el par (aunque no lo suficiente para una rotación completa contra la fricción) es causado directamente por una ligera presión. Como consecuencia de la presión de la luz, Einstein en 1909 predijo la existencia de un "rozamiento por radiación" que se opondría al movimiento de la materia. Escribió, "la radiación ejercerá presión en ambos lados de la placa. Las fuerzas de presión ejercidas en 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 más adelante durante el movimiento (superficie frontal) que en la superficie posterior. La fuerza de presión que actúa hacia atrás ejercida sobre la superficie frontal es, por lo tanto, mayor que la fuerza de presión que actúa sobre la parte posterior. Por lo tanto, como resultado 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 'rozamiento por radiación' en breve".

Por lo general, el impulso de la luz está alineado con su dirección de movimiento. Sin embargo, por ejemplo, en ondas evanescentes, el momento es transversal a la dirección de propagación.

Teorías históricas sobre la luz, en orden cronológico

Grecia clásica y helenismo

En el siglo V aC, Empédocles postuló que todo estaba compuesto por cuatro elementos; fuego, aire, tierra y agua. Él creía que Afrodita hizo el ojo humano a partir de los cuatro elementos y que encendió el fuego en el ojo que brilló desde el ojo haciendo posible la vista. Si esto fuera cierto, uno 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.

Aproximadamente en el 300 a. C., Euclides escribió Optica, en el que estudió 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 del ojo, porque pregunta cómo se ven las estrellas inmediatamente, si se cierran los ojos y luego se abren por la noche. Si el rayo del ojo viaja infinitamente rápido, esto no es un problema.

En el 55 a. C., Lucrecio, un romano que continuó con las ideas de los primeros atomistas griegos, escribió que "La luz y el calor del sol; están compuestos de diminutos átomos que, cuando son empujados, no pierden tiempo en atravesar el espacio intermedio del aire en la dirección impartida por el empujón". (de Sobre la naturaleza del Universo ). A pesar de ser similar a las teorías de partículas posteriores, las opiniones de Lucrecio no fueron generalmente aceptadas. Ptolomeo (hacia el siglo II) escribió sobre la refracción de la luz en su libro Óptica.

India clásica

En la antigua India, las escuelas hindúes de Samkhya y Vaisheshika, de alrededor de los primeros siglos dC, desarrollaron teorías sobre la luz. Según la escuela Samkhya, la luz es uno de los cinco elementos "sutiles" fundamentales ( tanmatra ) de los que emergen los elementos densos. La atomicidad de estos elementos no se menciona específicamente y parece que en realidad se tomaron como continuos. Por otro lado, la escuela Vaisheshika da una teoría atómica del mundo físico sobre la base no atómica del éter, el espacio y el tiempo. (Véase atomismo indio ). Los átomos básicos son los de la tierra ( prthivi ), el agua ( pani ), el fuego ( agni ) y el aire ( vayu ).) Los rayos de luz se toman como una corriente de alta velocidad de átomos de tejas (fuego). Las partículas de luz pueden exhibir diferentes características dependiendo de la velocidad y la disposición de los átomos de tejas. El Vishnu Purana se refiere a la luz del sol como "los siete rayos del sol".

Los budistas indios, como Dignāga en el siglo V y Dharmakirti en el siglo VII, desarrollaron un tipo de atomismo que es una filosofía sobre la realidad compuesta por entidades atómicas que son destellos momentáneos de luz o energía. Vieron la luz como una entidad atómica equivalente a la energía.

Descartes

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 Bacon, Grosseteste y Kepler. 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. Aunque Descartes estaba equivocado 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 las 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 el comienzo de la óptica física moderna.

Teoría de partículas

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 punto de vista 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 direcciones desde una fuente. Uno de los argumentos de Newton en contra de la naturaleza ondulatoria de la luz era que se sabía que las ondas se doblaban alrededor de los 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 usarse para predecir el reflejo de la luz, pero solo podía explicar la refracción asumiendo incorrectamente que la luz se aceleró al entrar en un medio más denso porque la atracción gravitacional era mayor. Newton publicó la versión final de su teoría en su Óptica de 1704. Su reputación ayudó a que la teoría de partículas de la luz dominara durante el siglo XVIII. La teoría de partículas de la luz llevó a Laplace a argumentar que un cuerpo podría ser tan masivo que la luz no podría 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 modelo para la luz (como se ha explicado, ni la teoría ondulatoria ni la corpuscular son completamente correctas). Una traducción del ensayo de Newton sobre la luz aparece enLa estructura a gran escala del espacio-tiempo, de Stephen Hawking y George FR Ellis.

El hecho de que la luz pudiera polarizarse fue explicado cualitativamente por primera vez por Newton utilizando la teoría de partículas. Étienne-Louis Malus en 1810 creó una teoría matemática de polarización de partículas. Jean-Baptiste Biot en 1812 demostró que esta teoría explicaba todos los fenómenos conocidos de polarización de la luz. En ese momento, la polarización se consideró como la prueba de la teoría de partículas.

Teoría de ondas

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 Micrographia ("Observación IX") de 1665. 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 ondulatoria matemática 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 disminuían su velocidad al entrar en un medio más denso.

La teoría de las ondas predijo que las ondas de luz podrían 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 diferentes colores eran causados ​​por diferentes longitudes de onda de luz y explicó la visión del color en términos de receptores de tres colores en el ojo. Otro partidario de la teoría ondulatoria fue Leonhard Euler. Argumentó en Nova theoria lucis et colorum (1746) que la difracción podría explicarse más fácilmente mediante una teoría ondulatoria. En 1816, André-Marie Ampère le dio a Augustin-Jean Fresnel la idea de que la polarización de la luz puede explicarse mediante la teoría ondulatoria si la luz fuera una onda transversal.

Más tarde, Fresnel elaboró ​​de forma independiente su propia teoría ondulatoria de la luz y la presentó a la Académie des Sciences en 1817. Siméon Denis Poisson se sumó al trabajo matemático de Fresnel para producir un argumento convincente a favor de la teoría ondulatoria, ayudando a anular la teoría corpuscular de Newton. En el año 1821, Fresnel pudo demostrar a través de métodos matemáticos que la polarización podría explicarse mediante la teoría ondulatoria de la luz si y solo si la luz fuera completamente transversal, sin vibración longitudinal alguna.

La debilidad de la teoría ondulatoria era que las ondas luminosas, como las ondas sonoras, necesitarían un medio para transmitirse. La existencia de la sustancia hipotética éter luminífero propuesta por Huygens en 1678 fue puesta en duda a fines 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 se podía medir con la precisión suficiente para decidir qué teoría era la correcta. El primero en realizar una medición suficientemente precisa fue Léon Foucault, en 1850. Su resultado apoyó la teoría ondulatoria y finalmente se abandonó la teoría clásica de partículas, solo para resurgir parcialmente en el siglo XX.

Teoría electromagnética

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 que ahora se conoce como rotación de Faraday. 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. 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.

El trabajo de Faraday inspiró a James Clerk Maxwell a estudiar la luz y la radiación electromagnética. Maxwell descubrió que las ondas electromagnéticas que se autopropagaban viajarían a través del espacio a una velocidad constante, que resultó ser igual a la velocidad de la luz medida previamente. A partir de esto, Maxwell concluyó que la luz era una forma de radiación electromagnética: declaró este resultado por primera vez en 1862 en On Physical Lines of Force. En 1873, publicó Tratado sobre electricidad y magnetismo., que contenía una descripción matemática completa del comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos, todavía conocidas como ecuaciones de Maxwell. Poco después, Heinrich Hertz confirmó experimentalmente la teoría de Maxwell generando y detectando ondas de radio en el laboratorio y demostrando 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, las imágenes electromagnéticas y las comunicaciones inalámbricas modernas.

En la teoría cuántica, los fotones se ven como paquetes de ondas de las ondas descritas en la teoría clásica de Maxwell. Se necesitaba la teoría cuántica para explicar efectos incluso con luz visual que la teoría clásica de Maxwell no podía (como las líneas espectrales).

Teoría cuántica

En 1900, Max Planck, al intentar 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 "quanta" (de una palabra latina para "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 que se observa cuando los rayos X de baja intensidad se dispersan de los electrones (la llamada dispersión Compton) podría explicarse mediante una teoría de partículas de los rayos X, pero no mediante una teoría ondulatoria. En 1926, Gilbert N. Lewis denominó fotones a estas partículas cuánticas de luz.

Eventualmente, la teoría moderna de la mecánica cuántica llegó a representar la luz como (en cierto sentido) tanto una partícula como una onda y (en otro sentido), como un fenómeno que no es niuna partícula ni una onda (que en realidad son fenómenos macroscópicos, como pelotas de béisbol u olas del océano). En cambio, la física moderna ve la luz como algo que a veces se puede describir con matemáticas apropiadas para un tipo de metáfora macroscópica (partículas) y a veces con otra metáfora macroscópica (ondas de agua), pero en realidad es algo que no se puede imaginar por completo. Como en el caso de las ondas de radio y los rayos X involucrados en la dispersión de Compton, los físicos han notado que la radiación electromagnética tiende a comportarse más como una onda clásica en frecuencias más bajas, pero más como una partícula clásica en frecuencias más altas, pero nunca pierde completamente todo. cualidades de uno u otro. La luz visible, que ocupa un término medio en frecuencia, puede demostrarse fácilmente en experimentos que se puede describir usando un modelo de onda o de partículas, o a veces ambos.

En febrero de 2018, los científicos informaron, por primera vez, del descubrimiento de una nueva forma de luz, que puede involucrar polaritones, que podría ser útil en el desarrollo de computadoras cuánticas.

Uso para la luz en la Tierra

La luz del sol proporciona la energía que utilizan las plantas verdes 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 utilizada por los seres vivos. Algunas especies de animales generan su propia luz, un proceso llamado bioluminiscencia. Por ejemplo, las luciérnagas usan la luz para localizar parejas y los calamares vampiros la usan para esconderse de sus presas.