Optica
Naturaleza de la luz
La luz es emitida por sus fuentes en línea recta, y se difunde en una superficie cada vez mayor a medida que avanza; la luz por unidad de área disminuye según el cuadrado de la distancia. Cuando la luz incide sobre un objeto es absorbida o reflejada; la luz reflejada por una superficie rugosa se difunde en todas direcciones. Algunas frecuencias se reflejan más que otras, y esto da a los objetos su color característico. Las superficies blancas difunden por igual todas las longitudes de onda, y las superficies negras absorben casi toda la luz. Por otra parte, para que la reflexión forme imágenes es necesaria una superficie muy pulida, como la de un espejo.
La definición de la naturaleza de la luz siempre ha sido un problema fundamental de la física. El matemático y físico británico Isaac Newton describió la luz como una emisión de partículas, y el astrónomo, matemático y físico holandés Christiaan Huygens desarrolló la teoría de que la luz se desplaza con un movimiento ondulatorio.
En la actualidad se cree que estas dos teorías son complementarias, y el desarrollo de la teoría cuántica ha llevado al reconocimiento de que en algunos experimentos la luz se comporta como una corriente de partículas y en otros como una onda. En las situaciones en que la luz presenta movimiento ondulatorio, la onda vibra perpendicular a la dirección de propagación; por eso, la luz puede polarizarse en dos ondas perpendiculares entre sí.
Velocidad de la luz.
La velocidad de la luz en el vacío es una de las constantes fundamentales de la Naturaleza. Durante dos mil años se creyó que la luz se propagaba con velocidad infinita. Se suponía que cuando sucedía algún fenómeno importante en las estrellas lejanas este fenómeno podía verse instantáneamente en cualquier punto del Universo.
Galileo Galilei.
Galileo intentó en una ocasión medir la velocidad de la luz, aunque sin éxito. Galileo se estacionó en lo alto de una colina con una lámpara, mientras un ayudante hacía lo mismo en otra colina. Galileo descubrió la lámpara durante un instante, enviando un destello al ayudante quien, tan pronto como vio ese destello hizo lo propio destapando su lámpara y enviando otro destello a Galileo. Éste anotó el tiempo transcurrido total, repitiendo el experimento una y otra vez con distancias cada vez mayores entre los observadores, llegando finalmente a la conclusión de que era imposible descubrir las lámparas con la suficiente rapidez y que la luz probablemente se propagaba con velocidad infinita. Sabiendo, como ahora sabemos, que la luz viaja a la impresionante velocidad de 300.000 km/s, es fácil comprender las causas del fallo del experimento de Galileo.
Olaf Roemer.
En 1676, el danés Olaf Roemer, a partir de observaciones astronómicas realizadas sobre uno de los satélites del planeta Júpiter, obtuvo la primera prueba terminante de que la luz se propagaba con velocidad infinita. Júpiter tiene doce pequeños satélites o lunas, cualquiera de ellos son suficientemente brillantes para que puedan verse con un telescopio regularmente bueno o unos prismáticos. Los satélites aparecen como minúsculos puntos brillantes a uno y otro lado del disco del planeta. Estos satélites giran alrededor de Júpiter como la Luna alrededor de la Tierra, y cada uno es eclipsado por el planeta durante una parte de cada revolución.
Roemer fue el encargado de medir el período de uno de los satélites, utilizando el intervalo de tiempo transcurrido entre dos eclipses consecutivos (unas 42 h) . Comparando los resultados obtenidos durante un período largo de tiempo, encontró que cuando la Tierra se alejaba de Júpiter, los intervalos de tiempo eran mayores que el valor medio, mientras que cuando se aproximaban a Júpiter, los intervalos eran algo más cortos. De ello dedujo que la causa de estas diferencias era la variación de la distancia entre Júpiter y la Tierra.
Roemer dedujo de sus observaciones que la luz necesitaba un tiempo de unos veintidós minutos para recorrer una distancia igual al diámetro de la órbita terrestre. El mejor valor obtenido para esta distancia, en tiempos de Röemer, era de 1'72·108 millas. Aunque no hay testimonio de que Roemer hiciera realmente el cálculo, si hubiera utilizado los datos anteriores habría encontrado una velocidad de 2'1·108 m/seg.
Louis Fizeau.
El primer método terrestre para medir la velocidad de la luz fue proyectado en 1849 por el físico francés Armand Hippolyte Louis Fizeau, aunque observaciones astronómicas anteriores habían proporcionado una velocidad aproximadamente correcta. En la actualidad, la velocidad de la luz en el vacío se toma como 299.792.458 m/s, y este valor se emplea para medir grandes distancias a partir del tiempo que emplea un pulso de luz o de ondas de radio para alcanzar un objetivo y volver. Este es el principio del radar. El conocimiento preciso de la velocidad y la longitud de onda de la luz también permite una medida precisa de las longitudes. De hecho, el metro se define en la actualidad como la longitud recorrida por la luz en el vacío en un intervalo de tiempo de 1/299.792.458 segundos. La velocidad de la luz en el aire es ligeramente distinta según la longitud de onda, y en promedio es un 3% menor que en el vacío; en el agua es aproximadamente un 25% menor, y en el vidrio ordinario un 33% menor.Su dispositivo experimental fue: la luz de una fuente intensa era reflejada por un espejo semitransparente y luego se llevaba a un foco en un punto por medio de una lente. Después de convertirse en un haz de rayos paralelos por una segunda lente, la luz recorría 8'67 km hasta la cima de una colina, donde un espejo y una lente reflejaban la luz de nuevo en sentido contrario. Regresando por la misma trayectoria, algo de luz pasaba a través del espejo y entraba en el ojo del observador.
El propósito de la rueda dentada giratoria era cortar el haz luminoso en destellos momentáneos, y medir el tiempo empleado por esas señales en llegar hasta el espejo distante y regresar de vuelta. Con la rueda en reposo y en tal posición que la luz pase por la abertura entre los dientes, el observador verá una imagen de la fuente de luz. Si ahora, la rueda se pone a girar con una velocidad que aumenta lentamente, se alcanzará pronto una situación en la cual la luz pasa a través del hueco de la rueda, regresará justo al mismo tiempo para ser detenida por los dientes de la rueda. Bajo estas condiciones, la imagen se eclipsará completamente para el observador. Aumentando más esa velocidad, reaparecerá la luz, incrementando su intensidad hasta alcanzar un máximo. Esto ocurrirá cuando los destellos enviados a través de las aberturas respectiva-mente. Con una rueda de 720 dientes, Fizeau observó este máximo a la velocidad de 25 revoluciones por segundo. El tiempo requerido para que la luz viaje de ida y vuelta se puede calcular como 1/25 veces, 1/720 o 1/18000 de seg. Esto da una velocidad de 313.000 km/seg a partir de la distancia de ida y vuelta de 17'34 km.
Olaf Roemer.
En 1676, el danés Olaf Roemer, a partir de observaciones astronómicas realizadas sobre uno de los satélites del planeta Júpiter, obtuvo la primera prueba terminante de que la luz se propagaba con velocidad infinita. Júpiter tiene doce pequeños satélites o lunas, cualquiera de ellos son suficientemente brillantes para que puedan verse con un telescopio regularmente bueno o unos prismáticos. Los satélites aparecen como minúsculos puntos brillantes a uno y otro lado del disco del planeta. Estos satélites giran alrededor de Júpiter como la Luna alrededor de la Tierra, y cada uno es eclipsado por el planeta durante una parte de cada revolución.
Roemer fue el encargado de medir el período de uno de los satélites, utilizando el intervalo de tiempo transcurrido entre dos eclipses consecutivos (unas 42 h) . Comparando los resultados obtenidos durante un período largo de tiempo, encontró que cuando la Tierra se alejaba de Júpiter, los intervalos de tiempo eran mayores que el valor medio, mientras que cuando se aproximaban a Júpiter, los intervalos eran algo más cortos. De ello dedujo que la causa de estas diferencias era la variación de la distancia entre Júpiter y la Tierra.
Roemer dedujo de sus observaciones que la luz necesitaba un tiempo de unos veintidós minutos para recorrer una distancia igual al diámetro de la órbita terrestre. El mejor valor obtenido para esta distancia, en tiempos de Röemer, era de 1'72·108 millas. Aunque no hay testimonio de que Roemer hiciera realmente el cálculo, si hubiera utilizado los datos anteriores habría encontrado una velocidad de 2'1·108 m/seg.
Louis Fizeau.
El primer método terrestre para medir la velocidad de la luz fue proyectado en 1849 por el físico francés Armand Hippolyte Louis Fizeau, aunque observaciones astronómicas anteriores habían proporcionado una velocidad aproximadamente correcta. En la actualidad, la velocidad de la luz en el vacío se toma como 299.792.458 m/s, y este valor se emplea para medir grandes distancias a partir del tiempo que emplea un pulso de luz o de ondas de radio para alcanzar un objetivo y volver. Este es el principio del radar. El conocimiento preciso de la velocidad y la longitud de onda de la luz también permite una medida precisa de las longitudes. De hecho, el metro se define en la actualidad como la longitud recorrida por la luz en el vacío en un intervalo de tiempo de 1/299.792.458 segundos. La velocidad de la luz en el aire es ligeramente distinta según la longitud de onda, y en promedio es un 3% menor que en el vacío; en el agua es aproximadamente un 25% menor, y en el vidrio ordinario un 33% menor.Su dispositivo experimental fue: la luz de una fuente intensa era reflejada por un espejo semitransparente y luego se llevaba a un foco en un punto por medio de una lente. Después de convertirse en un haz de rayos paralelos por una segunda lente, la luz recorría 8'67 km hasta la cima de una colina, donde un espejo y una lente reflejaban la luz de nuevo en sentido contrario. Regresando por la misma trayectoria, algo de luz pasaba a través del espejo y entraba en el ojo del observador.
El propósito de la rueda dentada giratoria era cortar el haz luminoso en destellos momentáneos, y medir el tiempo empleado por esas señales en llegar hasta el espejo distante y regresar de vuelta. Con la rueda en reposo y en tal posición que la luz pase por la abertura entre los dientes, el observador verá una imagen de la fuente de luz. Si ahora, la rueda se pone a girar con una velocidad que aumenta lentamente, se alcanzará pronto una situación en la cual la luz pasa a través del hueco de la rueda, regresará justo al mismo tiempo para ser detenida por los dientes de la rueda. Bajo estas condiciones, la imagen se eclipsará completamente para el observador. Aumentando más esa velocidad, reaparecerá la luz, incrementando su intensidad hasta alcanzar un máximo. Esto ocurrirá cuando los destellos enviados a través de las aberturas respectiva-mente. Con una rueda de 720 dientes, Fizeau observó este máximo a la velocidad de 25 revoluciones por segundo. El tiempo requerido para que la luz viaje de ida y vuelta se puede calcular como 1/25 veces, 1/720 o 1/18000 de seg. Esto da una velocidad de 313.000 km/seg a partir de la distancia de ida y vuelta de 17'34 km.
Al igual que la reflexión de las ondas sonoras, la reflexión luminosa es un fenómeno en virtud del cual la luz al incidir sobre la superficie de los cuerpos cambia de dirección, invirtiéndose el sentido de su propagación. En cierto modo se podría comparar con el rebote que sufre una bola de billar cuando es lanzada contra una de las bandas de la mesa.
La visión de los objetos se lleva a cabo precisamente gracias al fenómeno de la reflexión. Un objeto cualquiera, a menos que no sea una fuente en sí mismo, permanecerá invisible en tanto no sea iluminado. Los rayos luminosos que provienen de la fuente se reflejan en la superficie del objeto y revelan al observador los detalles de su forma y su tamaño.
De acuerdo con las características de la superficie reflectora, la reflexión luminosa puede ser regular o difusa. La reflexión regular tiene lugar cuando la superficie es perfectamente lisa. Un espejo o una lámina metálica pulimentada reflejan ordenadamente un haz de rayos conservando la forma del haz. La reflexión difusa se da sobre los cuerpos de superficies más o menos rugosas.
En ellas un haz paralelo, al reflejarse, se dispersa orientándose los rayos en direcciones diferentes. Ésta es la razón por la que un espejo es capaz de reflejar la imagen de otro objeto en tanto que una piedra, por ejemplo, sólo refleja su propia imagen.
Sobre la base de las observaciones antiguas se establecieron las leyes que rigen el comportamiento de la luz en la reflexión regular o especular. Se denominan genéricamenteleyes de la reflexión.
Si S es una superficie especular (representada por una línea recta rayada del lado en que no existe la reflexión), se denomina rayo incidente al que llega a S, rayo reflejado al que emerge de ella como resultado de la reflexión y punto de incidencia O al punto de corte del rayo incidente con la superficie S. La recta N, perpendicular a S por el punto de incidencia, se denomina normal.
La visión de los objetos se lleva a cabo precisamente gracias al fenómeno de la reflexión. Un objeto cualquiera, a menos que no sea una fuente en sí mismo, permanecerá invisible en tanto no sea iluminado. Los rayos luminosos que provienen de la fuente se reflejan en la superficie del objeto y revelan al observador los detalles de su forma y su tamaño.
De acuerdo con las características de la superficie reflectora, la reflexión luminosa puede ser regular o difusa. La reflexión regular tiene lugar cuando la superficie es perfectamente lisa. Un espejo o una lámina metálica pulimentada reflejan ordenadamente un haz de rayos conservando la forma del haz. La reflexión difusa se da sobre los cuerpos de superficies más o menos rugosas.
En ellas un haz paralelo, al reflejarse, se dispersa orientándose los rayos en direcciones diferentes. Ésta es la razón por la que un espejo es capaz de reflejar la imagen de otro objeto en tanto que una piedra, por ejemplo, sólo refleja su propia imagen.
Sobre la base de las observaciones antiguas se establecieron las leyes que rigen el comportamiento de la luz en la reflexión regular o especular. Se denominan genéricamenteleyes de la reflexión.
Si S es una superficie especular (representada por una línea recta rayada del lado en que no existe la reflexión), se denomina rayo incidente al que llega a S, rayo reflejado al que emerge de ella como resultado de la reflexión y punto de incidencia O al punto de corte del rayo incidente con la superficie S. La recta N, perpendicular a S por el punto de incidencia, se denomina normal.
Refracción de la luz:
Se denomina refracción luminosa al cambio que experimenta la dirección de propagación de la luz cuando atraviesa oblicuamente la superficie de separación de dos medios transparentes de distinta naturaleza. Las lentes, las máquinas fotográficas, el ojo humano y, en general, la mayor parte de los instrumentos ópticos basan su funcionamiento en este fenómeno óptico.
El fenómeno de la refracción va, en general, acompañado de una reflexión, más o menos débil, producida en la superficie que limita los dos medios transparentes. El haz, al llegar a esa superficie límite, en parte se refleja y en parte se refracta, lo cual implica que los haces reflejado y refractado tendrán menos intensidad luminosa que el rayo incidente. Dicho reparto de intensidad se produce en una proporción que depende de las características de los medios en contacto y del ángulo de incidencia respecto de la superficie límite. A pesar de esta circunstancia, es posible fijar la atención únicamente en el fenómeno de la refracción para analizar sus características.
Ley de Snell:
La refracción es el cambio de dirección que experimenta una onda al pasar de un medio material a otro. Sólo se produce si la onda incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios y si estos tienen índices de refracción distintos. La refracción se origina en el cambio de velocidad de propagación de la onda, cuando pasa de un medio a otro. 
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