Luz
Definición
La luz es radiación electromagnética dentro de una cierta porción del espectro electromagnético. La palabra generalmente se refiere a la luz visible , que es el espectro visible que es visible para el ojo humano y es responsable del sentido de la vista. La luz visible generalmente se define como teniendo longitudes de onda en el rango de 400-700 nanómetros (nm), o 4,00 × 10 a 7,00 × 10 m, entre el infrarrojo (con longitudes de onda más largas) y el ultravioleta (con longitudes de onda más cortas). Esta longitud de onda significa un rango de frecuencia de aproximadamente 430-750 terahercios (THz).
La principal fuente de luz en la Tierra es el sol. La luz del sol proporciona la energía que las plantas verdes usan 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. Históricamente, otra fuente importante de luz para los humanos ha sido el fuego, desde fogatas antiguas hasta lámparas de queroseno modernas. Con el desarrollo de luces eléctricas y sistemas de potencia, la iluminación eléctrica ha reemplazado eficazmente a la luz de fuego. 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.
Las principales propiedades de la luz visible son la intensidad, la dirección de propagación, la frecuencia o el espectro de longitud de onda y la polarización, mientras que su velocidad en el vacío, 299.792.458 metros por segundo, es una de las constantes fundamentales de la naturaleza. La luz visible, como con todos los tipos de radiación electromagnética (EMR), se encuentra experimentalmente que siempre se mueve a esta velocidad en el vacío.
En física, el término ligero a veces se refiere 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 ligeras. Al igual que todos los tipos de radiación EM, la luz visible se propaga como ondas. Sin embargo, la energía impartida por las ondas se absorbe en ubicaciones únicas de la misma forma que las partículas son absorbidas. La energía absorbida de las ondas electromagnéticas se llama fotón y representa los cuantos de la luz. Cuando una onda de luz se transforma y se absorbe como un fotón, la energía de la onda colapsa al instante en una única ubicación, y esta ubicación es donde el fotón "llega". Esto es lo que se llama colapso de la función de onda. Esta naturaleza dual de onda y similar a una partícula de luz se conoce como la dualidad onda-partícula. El estudio de la luz, conocido como óptica, es un área de investigación importante en la física moderna.
Espectro electromagnético y luz visible
En general, la radiación EM, o EMR (la designación "radiación" excluye campos estáticos eléctricos y magnéticos y cercanos), se clasifica por longitud de onda en radio, microondas, infrarrojo, la región visible que percibimos como luz, ultravioleta, rayos X y gamma rayos.
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 quantum que transporta.
La REM en la región de la luz visible consiste en cuantos (llamados fotones) que se encuentran en el extremo inferior de las energías que son capaces de causar excitación electrónica dentro de las moléculas, lo que conduce a cambios en la unión 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 retina de la molécula visual en la retina humana, que el cambio desencadena la sensación de visión.
Existen animales que son sensibles a varios tipos de infrarrojos, pero no a través de la absorción cuántica. La detección de infrarrojos en las serpientes depende de un tipo de imagen térmica natural, en la cual los pequeños paquetes de agua celular se elevan en temperatura por la radiación infrarroja. EMR en este rango causa vibración molecular y efectos de calentamiento, que es la forma en que estos animales lo detectan.
Por encima del rango de luz visible, la luz ultravioleta se vuelve invisible para los humanos, principalmente porque es absorbida por la córnea por debajo de 360 nanómetros y la lente interna por debajo de 400. Además, las varillas y conos ubicados en la retina del ojo humano no pueden detectar las longitudes de onda ultravioletas cortas (por debajo de 360 nm) y de hecho son dañadas por los rayos ultravioleta. Muchos animales con ojos que no requieren lentes (como insectos y camarones) son capaces de detectar ultravioleta, mediante mecanismos de absorción de fotones cuánticos, de la misma manera química en que los humanos detectan la luz visible.
Varias fuentes definen la luz visible tan estrechamente como de 420 a 680 a tan ampliamente como de 380 a 800 nm. En condiciones ideales de laboratorio, las personas pueden ver el infrarrojo hasta al menos 1050 nm, los niños y adultos jóvenes pueden percibir longitudes de onda ultravioleta de aproximadamente 310 a 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 como exactamente 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 medidor 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 diecisiete. Un experimento temprano para medir la velocidad de la luz fue realizado por Ole Rømer, un físico danés, en 1676. Utilizando un telescopio, Rømer observó los movimientos de Júpiter y una de sus lunas, Io. Observando las 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 sabido el diámetro de la órbita de la Tierra, habría calculado una velocidad de 227,000,000 m / s.
Otra medición más precisa de la velocidad de la luz fue realizada en Europa por Hippolyte Fizeau en 1849. Fizeau dirigió un haz de luz hacia un espejo a varios kilómetros de distancia. Se colocó una rueda dentada giratoria en el camino del rayo de luz a medida que viajaba desde la fuente hasta el espejo y luego regresaba a su origen. Fizeau descubrió que a cierta velocidad de rotación, el rayo atravesaría un espacio en la rueda en el camino de salida y el siguiente espacio en el camino de regreso. Sabiendo la distancia al espejo, la cantidad de dientes en 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 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 una rotación mejorada espejos para medir el tiempo que tomó la luz para hacer un viaje redondo desde el Monte Wilson hasta el Monte San Antonio en California. Las medidas 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 eso en el vacío.
Se dijo que dos equipos de físicos independientes paralizaron la luz pasándola a través de un condensado de Bose-Einstein del elemento rubidio, un equipo de la Universidad de Harvard y el Instituto Rowland para la Ciencia en Cambridge, Massachusetts, y el otro en el Centro Harvard-Smithsonian para Astrofísica, también en Cambridge. Sin embargo, la descripción popular de que la luz se "detiene" en estos experimentos se refiere solo a la luz que se almacena en los estados excitados de los átomos, y luego se remite en un momento posterior arbitrario, estimulado por un segundo pulso de láser. Durante el tiempo que se había "detenido", había dejado de ser ligero.
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 el arco iris y la aurora boreal ofrecen muchas pistas sobre la naturaleza de la luz.
Refracción
La refracción es la flexión de los rayos de luz cuando se pasa a través de una superficie entre un material transparente y otro. Lo describe la Ley de Snell:
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 el límite entre un 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 resulta en un cambio en la dirección del haz. Este cambio de dirección se conoce como refracción.
La calidad de refracción de las lentes se usa con frecuencia para manipular la luz con el fin de cambiar el tamaño aparente de las imágenes. Lupas, gafas, lentes de contacto, microscopios y telescopios de refracción son 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 6.000 grados Kelvin (5.730 grados Celsius; 10.340 grados Fahrenheit) en la región visible del espectro electromagnético cuando se traza en unidades de longitud de onda y aproximadamente 44% de la energía solar que llega al suelo es visible. Otro ejemplo son las bombillas incandescentes, que emiten solo alrededor del 10% de su energía como luz visible y el resto como infrarrojo. Una fuente común de luz térmica en la historia son las partículas sólidas brillantes en llamas, pero éstas 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 aproximadamente 10 micrómetros, para objetos relativamente fríos como los seres humanos. A medida que la temperatura aumenta, el pico cambia a longitudes de onda más cortas, produciendo primero un resplandor rojo, luego uno blanco, y finalmente un color azul blanco a medida que el pico se mueve desde la parte visible del espectro hacia el ultravioleta. Estos colores se pueden ver cuando el metal se calienta a "rojo caliente" o "blanco caliente". La emisión térmica azul-blanca no se ve a menudo, excepto en estrellas (el color azul puro comúnmente visto en una llama de gas o soplete de soldador se debe a la emisión molecular, principalmente por radicales CH (que emiten una banda de longitud de onda de alrededor de 425 nm) y no se ve en estrellas o radiación térmica pura).
Los átomos emiten y absorben luz a las energías características. Esto produce "líneas de emisión" en el espectro de cada átomo. Las emisiones pueden ser espontáneas, 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 gas caliente en sí, por ejemplo, sodio en una llama de gas emite luz amarilla característica). La emisión también puede ser estimulada, como en un láser o un maser de microondas.
La desaceleración de una partícula cargada libre, como un electrón, puede producir radiación visible: la radiación ciclotrón, la radiación sincrotrón y la radiación bremsstrahlung son todos 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 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 las embarcaciones que se mueven a través del agua pueden perturbar el plancton que produce una estela brillante.
Ciertas sustancias producen luz cuando se iluminan con más radiación energética, un proceso conocido como fluorescencia. Algunas sustancias emiten luz lentamente después de la excitación por medio de radiación más energética. Esto se conoce como fosforescencia. Los materiales fosforescentes también se pueden excitar bombardeándolos con partículas subatómicas. La catodoluminiscencia es un ejemplo. Este mecanismo se usa 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 el concepto de luz pretende incluir fotones de muy alta energía (rayos gamma), los mecanismos de generación adicionales incluyen:
- Partícula antipartícula aniquilación
- Desintegración radioactiva
Unidades y medidas
La luz se mide con dos conjuntos principales de unidades alternativas: 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 del brillo humano. La fotometría es útil, por ejemplo, para cuantificar la iluminación (iluminación) destinada al uso humano. Las unidades SI para ambos sistemas se resumen en las siguientes tablas.
| Nombre | Símbolo | Nombre | Símbolo | Símbolo | |
|---|---|---|---|---|---|
| Energía radiante | Q e | joule | J | M⋅L⋅T | Energía de radiación electromagnética. |
| Densidad de energía radiante | w e | joule por metro cúbico | J / m | M⋅L⋅T | Energía radiante por unidad de volumen. |
| Flujo radiante | Φe | vatio | W = J / s | M⋅L⋅T | Energía radiante emitida, reflejada, transmitida o recibida, por unidad de tiempo. Esto a veces también se llama "poder radiante". |
| Flujo espectral | Φe, ν o Φe, λ | vatios por hertz o vatio por metro | W / Hz o W / m | M⋅L⋅T o M⋅L⋅T | Flujo radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅nm. |
| Intensidad radiante | Yo e, Ω | vatios por estereorradián | W / sr | M⋅L⋅T | Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido, por unidad de ángulo sólido. Esta es una cantidaddireccional . |
| Intensidad espectral | I e, Ω, ν o I e, Ω, λ | vatios por estereorradián por hertz o vatio por estereorradián por metro | W⋅sr⋅Hz o W⋅sr⋅m | M⋅L⋅T o M⋅L⋅T | Intensidad radiante por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr⋅nm. Esta es una cantidaddireccional . |
| Resplandor | L e, Ω | vatios por estereorradián por metro cuadrado | W⋅sr⋅m | M⋅T | Flujo radiante emitido, reflejado, transmitido o recibido por una superficie , por unidad de ángulo sólido por unidad de área proyectada.Esta es una cantidad direccional .Esto a veces también se llama confusamente "intensidad". |
| Radiancia espectral | L e, Ω, ν o L e, Ω, λ | vatios por estereorradián por metro cuadrado por hertz o vatio por estereorradián por metro cuadrado, por metro | W⋅sr⋅m⋅Hz o W⋅sr⋅m | M⋅T o M⋅L⋅T | Radiancia de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅sr⋅m⋅nm. Esta es una cantidad direccional . Esto a veces también se denomina confusamente "intensidad espectral". |
| Irradiancia densidad de flujo | E e | vatios por metro cuadrado | W / m | M⋅T | Flujo radiante recibido por una superficie por unidad de área. Esto a veces también se llama confusamente "intensidad". |
| Irradiancia espectral Densidad de flujo espectral | E e, ν o E e, λ | vatios por metro cuadrado por hertz o vatio por metro cuadrado, por metro | W⋅m⋅Hz o W / m | M⋅T o M⋅L⋅T | Irradiancia de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Esto a veces también se denomina confusamente "intensidad espectral". Las unidades de densidad de flujo espectral no SI incluyen jansky (1 Jy = 10 W⋅m⋅Hz) y la unidad de flujo solar (1 sfu = 10 W⋅m⋅Hz = 10 Jy). |
| Radiosidad | J e | vatios por metro cuadrado | W / m | M⋅T | Flujo radiante que sale (emitido, reflejado y transmitido por) una superficie por unidad de área. Esto a veces también se llama confusamente "intensidad". |
| Radiosidad espectral | J e, ν o J e, λ | vatios por metro cuadrado por hertz o vatio por metro cuadrado, por metro | W⋅m⋅Hz o W / m | M⋅T o M⋅L⋅T | Radiosidad de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m⋅nm. Esto a veces también se denomina confusamente "intensidad espectral". |
| Salida radiante | M e | vatios por metro cuadrado | W / m | M⋅T | Flujo radiante emitido por una superficie por unidad de área. Este es el componente emitido de la radiosidad. "Emitancia radiante" es un término antiguo para esta cantidad.Esto a veces también se llama confusamente "intensidad". |
| Salida espectral | M e, ν o M e, λ | vatios por metro cuadrado por hertz o vatio por metro cuadrado, por metro | W⋅m⋅Hz o W / m | M⋅T o M⋅L⋅T | Salida radiante de una superficie por unidad de frecuencia o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en W⋅m⋅nm. "Emitancia espectral" es un término antiguo para esta cantidad. Esto a veces también se denomina confusamente "intensidad espectral". |
| Exposición radiante | H e | joule por metro cuadrado | J / m | M⋅T | Energía radiante recibida por una superficie por unidad de área, o equivalente a la irradiancia de una superficie integrada en el tiempo de irradiación. Esto a veces también se llama "fluencia radiante". |
| Exposición espectral | H e, ν o H e, λ | joule por metro cuadrado por hercio o joule por metro cuadrado, por metro | J⋅m⋅Hz o J / m | M⋅T o M⋅L⋅T | Exposición radiante de una superficie por frecuencia de unidad o longitud de onda. Este último se mide comúnmente en J⋅m⋅nm. Esto a veces también se llama "fluencia espectral". |
| Emisividad hemisférica | ε | 1 | Salida radiante de una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie. | ||
| Emisividad hemisférica espectral | ε ν o ε λ | 1 | Salida espectral de una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie. | ||
| Emisividad direccional | ε Ω | 1 | Radiancia emitida por una superficie , dividida por la emitida por un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie. | ||
| Emisividad direccional espectral | ε Ω, ν o ε Ω, λ | 1 | Radiancia espectral emitida por una superficie , dividida por la de un cuerpo negro a la misma temperatura que esa superficie. | ||
| Absorción hemisférica | UN | 1 | Flujo radiante absorbido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. Esto no debe confundirse con "absorbancia". | ||
| Absorción hemisférica espectral | A ν o A λ | 1 | Flujo espectral absorbido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. Esto no debe confundirse con la "absorbancia espectral". | ||
| Absorción direccional | A Ω | 1 | Resplandor absorbido por una superficie , dividido por el incidente de resplandor en esa superficie. Esto no debe confundirse con "absorbancia". | ||
| Absorción direccional espectral | A Ω, ν o A Ω, λ | 1 | Radiancia espectral absorbida por una superficie , dividida por el resplandor espectral incidente en esa superficie. Esto no debe confundirse con la "absorbancia espectral". | ||
| Reflectancia hemisférica | R | 1 | Flujo radiante reflejado por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||
| Reflectancia semiesférica espectral | R ν o R λ | 1 | Flujo espectral reflejado por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||
| Reflectancia direccional | R Ω | 1 | Resplandor reflejado por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||
| Reflectancia direccional espectral | R Ω, ν o R Ω, λ | 1 | Resplandor espectral reflejado por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||
| Transmitancia hemisférica | T | 1 | Flujo radiante transmitido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||
| Transmitancia semiesférica espectral | T ν o T λ | 1 | Flujo espectral transmitido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||
| Transmitancia direccional | T Ω | 1 | Radiancia transmitida por una superficie , dividida por la recibida por esa superficie. | ||
| Transmitancia direccional espectral | T Ω, ν o T Ω, λ | 1 | Resplandor espectral transmitido por una superficie , dividido por el recibido por esa superficie. | ||
| Coeficiente de atenuación hemisférica | μ | medidor recíproco | metro | L | Flujo radiante absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen. |
| Coeficiente de atenuación hemisférica espectral | μ ν o μ λ | medidor recíproco | metro | L | Flujo radiante espectral absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido entre el volumen recibido por ese volumen. |
| Coeficiente de atenuación direccional | μ Ω | medidor recíproco | metro | L | Resplandor absorbido y dispersado por un volumen por unidad de longitud, dividido por el recibido por ese volumen. |
| Coeficiente de atenuación direccional espectral | μ Ω, ν o μ Ω, λ | medidor recíproco | metro | L | Radiancia espectral absorbida y dispersada por un volumen por unidad de longitud, dividida por la recibida por ese volumen. |
| Nombre | Símbolo | Nombre | Símbolo | Símbolo | |
|---|---|---|---|---|---|
| Energía luminosa | Q v | lumen segundo | lm⋅s | T ⋅J | El segundo lumen a veces se llama el talbot . |
| Flujo luminoso / potencia luminosa | Φ v | lumen (= cd⋅sr) | lm | J | Energía luminosa por unidad de tiempo |
| Intensidad luminosa | Yo v | candela (= lm / sr) | discos compactos | J | Flujo luminoso por unidad de ángulo sólido |
| Luminancia | L v | candela por metro cuadrado | cd / m | L ⋅J | Flujo luminoso por unidad de ángulo sólido por unidad de área de fuente proyectada . La candela por metro cuadrado a veces se llama liendre . |
| Iluminancia | E v | lux (= lm / m) | lx | L ⋅J | Incidente de flujo luminoso en una superficie |
| Salida luminosa / emitancia luminosa | M v | lux | lx | L ⋅J | Flujo luminoso emitido desde una superficie |
| Exposición luminosa | H v | lux segundo | lx⋅s | L ⋅T ⋅J | Iluminancia integrada en el tiempo |
| Densidad de energía luminosa | ω v | lumen en segundo lugar por metro cúbico | lm⋅s⋅m | L ⋅T ⋅J | |
| Eficacia luminosa | η | lumen por vatio | lm / W | M⋅ L⋅ T⋅ J | Relación de flujo luminoso a flujo radiante o consumo de potencia, según el contexto |
| Eficiencia luminosa / coeficiente luminoso | V | 1 | Eficacia luminosa normalizada por la máxima eficacia posible |
Las unidades de fotometría son diferentes de la mayoría de los sistemas de unidades físicas porque tienen en cuenta cómo responde el ojo humano a la luz. Las células de cono en el ojo humano son de tres tipos que responden de manera diferente a través del espectro visible, y la respuesta acumulada alcanza su máximo a 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 en una cantidad llamada eficacia luminosa, y se utilizan para fines tales como determinar la mejor forma de lograr la iluminación suficiente para diversas tareas en entornos interiores y exteriores.
Presión ligera
La luz ejerce presión física sobre los objetos que se encuentran en su camino, un fenómeno que puede deducirse de las ecuaciones de Maxwell, pero que se puede explicar más fácilmente por la naturaleza de la partícula de la luz: los fotones golpean y transfieren su momento. La presión de luz es igual a la potencia del rayo de luz dividido por c , la velocidad de la luz. Debido a la magnitud de c , el efecto de la presión ligera es insignificante para los objetos cotidianos. Por ejemplo, un puntero láser de un milivatio ejerce una fuerza de aproximadamente 3,3 piconewtons sobre el objeto que se ilumina; por lo tanto, uno podría levantar un centavo de los Estados Unidos 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 ligera es más significativo, y la explotación de la presión de la luz para controlar los mecanismos NEMS y para activar interruptores físicos a escala nanométrica en circuitos integrados es un área activa de investigación . En escalas más grandes, la presión ligera puede hacer que los asteroides giren más rápido, actuando en sus formas irregulares como en las paletas de un molino de viento. También se está investigando la posibilidad de hacer velas solares que aceleren las naves espaciales en el espacio.
Aunque el movimiento del radiómetro Crookes se atribuyó originalmente a la presión ligera, esta interpretación es incorrecta; la rotación característica de Crookes es el resultado de un vacío parcial. Esto no se debe confundir con el radiómetro Nichols, en el cual el (ligero) movimiento causado por el torque (aunque no es suficiente para una rotación completa contra la fricción) es directamente causado por la presión ligera. Como consecuencia de la presión de la luz, Einstein en 1909 predijo la existencia de una "fricción de radiación" que se opondría al movimiento de la materia. Él escribió, "la radiación ejercerá presión en ambos lados del plato. 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 se encuentra delante durante el movimiento (superficie frontal) que en la superficie posterior. La fuerza de retroalimentación de la presión 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, permanece una fuerza que contrarresta el movimiento de la placa y que aumenta con la velocidad de la placa. Llamaremos a esto 'fricción de la radiación' resultante en breve ".
Teorías históricas sobre la luz, en orden cronológico
Grecia clásica y helenismo
En el siglo V aC, Empédocles postuló que todo estaba compuesto de cuatro elementos; fuego, aire, tierra y agua. Él creía que Afrodita hacía que el ojo humano saliera de los cuatro elementos y que encendía el fuego en el ojo que brillaba desde el ojo y que hacía posible la vista. Si esto fuera cierto, entonces uno podría ver tanto durante la noche como durante el día, por lo que Empedocles postuló una interacción entre los rayos y los rayos de una fuente como el sol.
Alrededor del año 300 aC, Euclid escribió Óptica , en la 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 es el resultado de un rayo del ojo, ya que pregunta cómo se ven las estrellas de inmediato, si uno cierra los ojos, y luego las abre por la noche. Si el rayo del ojo viaja infinitamente rápido, esto no es un problema.
En el 55 aC, Lucrecio, un romano que llevó a cabo las ideas de los primeros atomistas griegos, escribió que "La luz y el calor del sol, estos están compuestos de átomos diminutos que, cuando se los empuja, no pierden tiempo en disparar al otro lado 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 India antigua, las escuelas hindúes de Samkhya y Vaisheshika, de alrededor de los primeros siglos AD desarrollaron teorías sobre la luz. Según la escuela Samkhya, la luz es uno de los cinco elementos "sutiles" fundamentales ( tanmatra ) de los cuales emergen los elementos burdos. La atomicidad de estos elementos no se menciona específicamente y parece que en realidad se tomaron como continuos. Por otro lado, la escuela Vaisheshika ofrece una teoría atómica del mundo físico en el terreno no atómico del éter, el espacio y el tiempo. (Véase atomismo indio .) Los átomos básicos son los de la tierra ( prthivi ), agua ( pani ), fuego ( agni ) y 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 las disposiciones de los átomos de Tejas . El Vishnu Purana se refiere a la luz del sol como "los siete rayos del sol".
Los budistas hindúes, como Dignāga en el siglo V y Dharmakirti en el siglo VII, desarrollaron un tipo de atomismo que es una filosofía acerca de que la realidad está compuesta de entidades atómicas que son destellos momentáneos de luz o energía. Ven 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 la "especie" 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 de sonido. Aunque Descartes era incorrecto sobre las velocidades relativas, tenía razón al suponer que la luz se comportaba como una ola y al concluir que la refracción podría explicarse por la velocidad de la luz en diferentes medios.
Descartes no es el primero en utilizar las analogías mecánicas, pero como 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 partícula 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 plenum deDescartes . Él declaró 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 contra la naturaleza ondulatoria de la luz era que se sabía que las ondas se curvaban alrededor de los obstáculos, mientras que la luz viajaba solo en línea recta. Sin embargo, sí explicó el fenómeno de la difracción de la luz (que había sido observado por Francesco Grimaldi) al permitir que una partícula ligera pudiera crear una onda localizada en el éter.
La teoría de Newton podría usarse para predecir el reflejo de la luz, pero solo podría explicar la refracción al asumir incorrectamente que la luz se aceleró al ingresar a un medio más denso porque la atracción gravitatoria fue mayor. Newton publicó la versión final de su teoría en su Optick de 1704. Su reputación ayudó a la teoría de partículas de la luz a dominar 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 el modelo de la luz (como se ha explicado, ni una teoría de partículas ni de ondas es totalmente correcta). Una traducción del ensayo de Newton sobre la luz aparece en La estructura a gran escala del espacio-tiempo, por Stephen Hawking y George FR Ellis.
El hecho de que la luz podría estar polarizada fue explicado cualitativamente por primera vez por Newton utilizando la teoría de partículas. Étienne-Louis Malus en 1810 creó una teoría matemática de partículas de la polarización. Jean-Baptiste Biot en 1812 mostró que esta teoría explicaba todos los fenómenos conocidos de la polarización de la luz. En ese momento, la polarización se consideró como la prueba de la teoría de partículas.
Teoría de onda
Para explicar el origen de los colores, Robert Hooke (1635-1703) desarrolló una "teoría del pulso" y comparó la difusión de la luz con la de las ondas en el agua en su obra 1665 Micrographia("Observación IX"). 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 de ondas matemática de la luz en 1678, y la publicó en su Tratado sobre la luz en 1690. Propuso que la luz se emitiera 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 disminuyeron la velocidad al entrar en un medio más denso.
La teoría de las olas predijo que las ondas de luz podrían interferir entre sí como las ondas de sonido (como se observó alrededor de 1800 por Thomas Young). Young mostró mediante un experimento de difracción que la luz se comportaba como ondas. También propuso que los diferentes colores fueron causados por diferentes longitudes de onda de luz y explicó la visión del color en términos de receptores tricolores 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 de las ondas si la luz fuera una onda transversal.
Más tarde, Fresnel desarrolló independientemente 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 revertir la teoría corpuscular de Newton. Para el año 1821, Fresnel pudo demostrar mediante métodos matemáticos que la polarización podría explicarse mediante la teoría ondulatoria de la luz y solo si la luz era completamente transversal, sin vibración longitudinal alguna.
La debilidad de la teoría de las ondas era que las ondas de luz, como las ondas de sonido, necesitarían un medio para la transmisión. La existencia de la hipotética sustancia luminífero de éter propuesta por Huygens en 1678 fue puesta en fuertes dudas 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 de ondas de Huygens y otros implicaban lo contrario. En ese momento, la velocidad de la luz no se podía medir con la precisión suficiente como para decidir qué teoría era la correcta. El primero en hacer una medición suficientemente precisa fue Léon Foucault, en 1850. Su resultado apoyó la teoría ondulatoria, y la teoría clásica de partículas fue finalmente abandonada, solo para reaparecer 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 ahora conocido como rotación de Faraday. Esta fue la primera evidencia de que la luz estaba relacionada con el electromagnetismo. En 1846, especificó que la luz podría ser alguna forma de perturbación que se propague 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 radiación electromagnética y la luz. Maxwell descubrió que las ondas electromagnéticas autopropagables viajarían a través del espacio a una velocidad constante, que pasó a ser igual a la velocidad de la luz previamente medida. A partir de esto, Maxwell concluyó que la luz era una forma de radiación electromagnética: primero declaró este resultado en 1862 en On Physical Lines of Force . En 1873, publicó un Tratado de Electricidad y Magnetismo, que contenía una descripción matemática completa del comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos, aún conocidos 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 tales como la reflexión, la refracción, la difracción y la interferencia. La teoría de Maxwell y los experimentos de Hertz condujeron directamente al desarrollo de la radio moderna, el radar, la televisión, las imágenes electromagnéticas y las comunicaciones inalámbricas.
En la teoría cuántica, los fotones se ven como paquetes de ondas de las ondas descritas en la teoría clásica de Maxwell. La teoría cuántica era necesaria para explicar los efectos incluso con la luz visual que la teoría clásica de Maxwell no podía (como las líneas espectrales).
Teoría cuántica
En 1900, Max Planck, al tratar de explicar la radiación del cuerpo negro, sugirió que, aunque la luz era una onda, estas ondas podrían ganar o perder energía solo en cantidades finitas relacionadas con su frecuencia. Planck llamó a estos "terrones" de energía lumínica "quanta" (de una palabra latina que significa "cuánto"). En 1905, Albert Einstein usó 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 observado cuando los rayos X de baja intensidad dispersos por los electrones (llamada dispersión de Compton) podría explicarse por una teoría de partículas de rayos X, pero no una teoría ondulatoria. En 1926, Gilbert N. Lewis denominó a estos fotones de partículas de luz quanta.
Eventualmente, la teoría moderna de la mecánica cuántica llegó a concebir la luz como (en cierto sentido) tanto una partícula como una onda, y (en otro sentido), como un fenómeno que no es ni uno ni otro. una partícula o una ola (que en realidad son fenómenos macroscópicos, como pelotas de béisbol u olas oceánicas). En cambio, la física moderna ve la luz como algo que puede describirse a veces con matemáticas apropiadas para un tipo de metáfora macroscópica (partículas) y, a veces, 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 implicados en la dispersión de Compton, los físicos han notado que la radiación electromagnética tiende a comportarse más como una onda clásica a frecuencias más bajas, pero más como una partícula clásica a frecuencias más altas, pero nunca pierde completamente cualidades de uno u otro. La luz visible, que ocupa un punto medio en cuanto a frecuencia, puede mostrarse fácilmente en experimentos que pueden describirse utilizando 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 implicar polaritones, que podría ser útil en el desarrollo de las computadoras cuánticas.