Modelos de la luz

Modelos de la luz
Germán Arenas Sicard
Físico, Dr. rer. nat.
Bogotá, agosto de 2012
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¿Por qué “modelos”?
La luz es algo que se da por asegurado; la mayoría (¿todos?) de
los seres vivos tenemos una respuesta frente a la luz.
Tenemos todos una experiencia.
• Pero ¿qué es la luz?...
La respuesta estándar “Es la forma de energía radiante
(radiación) que estimula los órganos de la visión; para el ojo
humano normal tiene longitudes de onda entre 400 y 700
nanómetros y viaja a una velocidad cercana a [30
cm/nanosegundo]” puede sacarnos del problema, pero…¿Es
cierta? ¿Es completa?
http://www.play-hookey.com/optics/what_is_light.html,
consultada 21.02.2011
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¿Qué falta en esa respuesta?
• Una pregunta con muchas respuestas:
• Cosmología europea, racionalista, objetivista,
limitada.
• Comportamiento de la luz “por fuera del
observador”.
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Comportamientos de la luz
Modelo geométrico
Modelo ondulatorio
Pero… ¿modelo y
naturaleza son lo
mismo?
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Comportamientos de la luz
Rayos de luz
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Comportamientos de la luz
Explicación con base en un
modelo electromagnético:
Rayleigh
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Comportamientos de la luz
Explicación con varios procesos de “scattering” G. Mie
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Modelo <> Explicación
En latín,
• Lucere (luz) tiene significado de brillante, claro.
• Lumen (luminosa) de luminaria, lámpara.
• Lux, una pequeña lámpara.
El lumen (símbolo: lm) es la unidad del Sistema Internacional de
Medidas para medir el flujo luminoso, una medida de la
potencia luminosa percibida por nuestros ojos.
El lux (símbolo lx) es la unidad derivada del Sistema
Internacional de Unidades para la iluminancia o nivel de
iluminación. Equivale a un lumen /m²
A Short Etymological Dictionary of Modern English, consultado a través
de Google (21.02.2011)
http://www.compuphase.com/electronics/candela_lumen.htm
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Naturaleza de la luz ¿?
• Óptica geométrica: la luz se comporta como si
estuviera formada por partículas (partes
pequeñas) que se mueven en línea recta: la
luz es un montón (horda) de partículas.
• Óptica ondulatoria: la luz se mueve como una
onda y su interacción con otra materia es
electromagnética: la luz es una onda
electromagnética.
• La luz es onda y es partícula…. ¿De veras?
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¿Hay algo más? Sí, claro que sí.
• ¿Cómo se genera la luz?
– ¿Por qué “sale” luz de una
vela encendida?
– ¿Por qué el color de la luz
que sale de una vela?
• ¿Cómo se absorbe la luz
en una hoja verde? (o en
todo objeto).
• ¿Una cámara “ve” lo
mismo que un ojo?
Visión.
Fotografía.
Cámaras.
Energía solar.
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Dos revoluciones en la concepción del
mundo. Siglos XIX y XX
• Física Estadística
– Movimiento browniano
– ¿Existen los átomos?
– ¿Qué relación hay entre lo micro y lo macroscópico?
• Física Cuántica
– ¿Cómo son los “átomos”?
– ¿Cómo son las interacciones y la energía?
(¿“Sociofísica”?)
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Acerca de la Física (1)
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Acerca de la Física (2)
“…empecé a creer que quien abandona una opinión que ya ha
absorbido con la leche materna, para seguir otra, que
comparten sólo infinitesimalmente pocos, y que es rechazada
por todas las escuelas y también en realidad parece ser una
enorme paradoja, que éste está necesariamente impulsado
por argumentos de fondo, si no completamente forzado, por
razonamientos más eficaces…”
G. Galilei, Diálogo sobre dos grandes sistemas del Mundo,
Jornada segunda.
E. Schrödinger, The British Journal for the Philosophy of Science,
3, (1952), 109-123 [B 12]
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¿Cómo actuamos frente al
conocimiento?
• INTER AULAS ACADEMIÆ QUÆRE VERUM.
Escudo UN : Busca la verdad en las aulas de la
academia.
• NULLIUS ADDICTUS JURARE IN VERBA
MAGISTRI.
Royal Society : Nadie está obligado a jurar sobre
las palabras de su maestro.
¿Qué actitud tomamos frente al “conocimiento
comprobado (en la práctica)”?
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¿Es la ciencia = la VERDAD?
• Una verdad
construida
socialmente.
• No “está” en los
libros.
• Depende del
contexto
sociocultural.
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Modelos (representaciones) de
cómo se comporta la luz
• Modelos cercanos a la experiencia
• Modelos medianamente abstractos
• Modelos muy abstractos
¿Cuándo los empleamos?
¿Por qué? ¿Para qué?
¿Es la naturaleza de la luz igual a la naturaleza de
nuestro modelo?
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Modelos cercanos a la experiencia
• Un primer modelo: la luz se comporta como
las partículas mecánicas (Newton).
• Un segundo modelo: la luz se comporta como
las ondas (electromagnéticas).
¿Qué explica cada uno de los modelos?
¿Qué deja sin explicar? ¿Qué predice?
¿Qué dificultades ignora?
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Algunos modelos
Primer modelo: la luz se comporta como las
partículas mecánicas.
Movimiento de la luz en línea recta (óptica
geométrica, rayos de luz), reflexión y
refracción de la luz.
En la actualidad se resuelven la mayoría de las
tareas de la óptica con base en este modelo.
Dificultad: “Principio de Fermat” (¿qué dijo F.?)
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Otros modelos
Segundo modelo: la luz se comporta como las
ondas (electromagnéticas)
Superposición de ondas, “difracción”,
“interferencia” de la luz (experimentos bajo
condiciones parecidas, pero resultados
diferentes).
Ejemplo: separación de la luz blanca en colores,
hologramas de seguridad, efectos diversos.
Dificultad: las fuentes de las ondas
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• Modelos medianamente abstractos
El modelo electromagnético.
Dispersión de la luz (cielo azul y atardecer
rojo).
El modelo de Fourier.
Intensidad de la luz en varios fenómenos.
El modelo cuántico.
Generación y absorción de la luz.
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Modelos más abstractos
• Óptica moderna y fotónica.
• Tecnología óptica actual, por ejemplo de
comunicaciones.
¿Qué explica cada uno de los modelos?
¿Qué deja sin explicar? ¿Qué predice?
¿Qué dificultades ignora?
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¿Habría un modelo unificado?
• Nuevas condiciones metafísicas.
• El proceso de cálculo cuántico.
• El modelo de fasores y la probabilidad.
¿Por qué un modelo unificado?
¿Cuál es la ventaja de complicarlo?
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Un ejemplo: el modesto interruptor
eléctrico (explicación simple)
David M. Harrison, Dept. of Physics, Univ. of Toronto
http://www.upscale.utoronto.ca/PVB/Harrison/Flash/
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El mismo sistema en detalles
microscópicos (más complejo)
• La corriente eléctrica en los metales es, ante todo,
resultado del movimiento (lento) de muchísimas
“portadoras de carga”, electrones.
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El cálculo de cómo pasarían los
electrones las barreras
La probabilidad de paso se parece a la de una onda.
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Otro cálculo de la probabilidad de llegada de los
electrones, ¡con evidencia experimental!
• Difracción de electrones (daguerrotipo de dios)
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Aplicaciones
Estructura de los cristales, interacciones electrón-onda mecánica, etcétera
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Retornemos al movimiento de la luz
• El movimiento de las
partículas de luz
(fotones, 1923) entre el
emisor y el receptor.
Lo que vemos es el
resultado del paso de
miles de millones de
fotones, no de uno
solo.
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“Receta de cálculo” cuántico
• “Cada uno” de los fotones puede tomar caminos distintos.
Para encontrar el patrón que forman todos, tome todos los
caminos posibles; cada uno con una probabilidad propia;
sume esas probabilidades como vectores (regla de suma) y
calcule el cuadrado de la amplitud que obtenga.
• Ese cuadrado (que depende del aquí y el allá) es la
probabilidad de que haya una intensidad luminosa “grande”
allá.
• Debe realizarse el cálculo para cada punto allá, en el que se
desee obtener la intensidad relativa.
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Representación gráfica
• Diagrama de la suma de
amplitudes de probabilidad y
la explicación de “dos o tres”.
experimentos.
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• º
¿Cómo es la
probabilidad del
“segundo” fotón?
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Otras consecuencias
Feynman R.P., Electrodinámica Cuántica: la extraña
teoría de la luz y la materia, Madrid, Alianza Editorial,
2007.
El resultado del cálculo usando el método de
Feynman no es nuevo, pero lo explica de modo
distinto. Lo que sí es nuevo es la interpretación; por
ejemplo se “explica” en óptica la propagación, la
reflexión y la refracción de la luz con un “principio de
mínimo tiempo”, el “principio de Fermat”. El
problema de la explicación teleológica simplemente
desaparece.
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Otras consecuencias
El método de Feynman explica además la interacción
eléctrica entre partículas cargadas como un
“intercambio de fotones”. Los cálculos
correspondientes han resultado en predicciones
extraordinariamente cercanas a los resultados
experimentales.
Los métodos de la Electrodinámica Cuántica han
servido, además, para desarrollar la teoría de las
fuerzas entre partículas en el núcleo atómico, la
“cromodinámica cuántica”.
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Terminaremos (por hoy) con una frase de R.P.
Feynman:
“La luz se comporta como las partículas…
Esto, sobre todo, deben grabarse aquellos a
quienes posiblemente en la escuela les
narraron del carácter ondulatorio de la luz”
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