150522 Introduccion a la Óptica

En la Edad Antigua se conocía la propagación rectilínea de la luz, la reflexión y refracción. Dos filósofos y matemáticos griegos escribieron tratados sobre óptica: Empédocles y Euclides. Ya en la Edad Moderna René Descartes consideraba la luz como una onda de presión transmitida a través de un medio elástico perfecto (el éter) que llenaba el espacio. Atribuyó los diferentes colores a movimientos rotatorios de diferentes velocidades de las partículas en el medio. La ley de la refracción fue descubierta experimentalmente en 1621 por Willebrord Snell. En 1657 Pierre de Fermat anunció el principio del tiempo mínimo y a partir de él dedujo la ley de la refracción. Véase también: Ley de Snell En la refracción el rayo de luz que se atraviesa de un medio transparente a otro, se denomina rayo incidente; el rayo de luz que se desvía al ingresar al segundo medio transparente se denomina rayo refractado; el ángulo en que el rayo incidente, al ingresar al segundo medio, forma con la perpendicular al mismo, se denomina ángulo de incidencia; el ángulo que el rayo incidente forma con el rayo refractado, al desviarse, se denomina ángulo de refracción o ángulo indeterminado. Interferencia y difracción Artículo principal: Difracción Interferencia (esquema simulado). Robert Boyle y Robert Hooke y a dicha teoría la propuso Isaac Newton, los demás descubrieron, de forma independiente, el fenómeno de la interferencia conocido como anillos de Newton. Hooke también observó la presencia de luz en la sombra geométrica, debido a la difracción, fenómeno que ya había sido descubierto por Francesco Maria Grimaldi. Hooke pensaba que la luz consistía en vibraciones propagadas instantáneamente a gran velocidad y creía que en un medio homogéneo cada vibración generaba una esfera que crece de forma regular. Con estas ideas, Hooke intentó explicar el fenómeno de la refracción e interpretar los colores. Sin embargo, los estudios que aclararon las propiedades de los colores fueron desarrollados por Newton que descubrió en 1666 que la luz blanca puede dividirse en sus colores componentes mediante un prisma y encontró que cada color puro se caracteriza por una refractabilidad específica. Las dificultades que la teoría ondulatoria se encontraba para explicar la propagación rectilínea de la luz y la polarización (descubierta por Huygens) llevaron a Newton a inclinarse por la teoría corpuscular, que supone que la luz se propaga desde los cuerpos luminosos en forma de partículas. Dispersión de la luz en dos prismas de distinto material. En la época en que Newton publicó su teoría del color, no se conocía si la luz se propagaba instantáneamente o no. El descubrimiento de la velocidad finita de la luz lo realizó en 1675 Olaf Roemer a partir de observaciones de los eclipses de Júpiter. Primeras teorías y otros fenómenos Por su parte, Hoke fue de los primeros defensores de la teoría ondulatoria que fue extendida y mejorada por Christian Huygens que enunció el principio que lleva su nombre, según el cual cada punto perturbado por una onda puede considerarse como el centro de una nueva onda secundaria, la envolvente de estas ondas secundarias define el frente de onda en un tiempo posterior. Con la ayuda de este principio, consiguió deducir las leyes de la reflexión y refracción. También pudo interpretar la doble refracción del espato de Islandia, fenómeno descubierto en 1669 por Erasmus Bartholinus, gracias a la suposición de la transmisión de una onda secundaria elipsoidal, además de la principal de forma esférica. Durante esta investigación Huygens descubrió la polarización. Cada uno de los dos rayos emergentes de la refracción del espato de Islandia puede extinguirse haciéndolo pasar por un segundo cristal del mismo material, rotado alrededor de un eje con la misma dirección que el rayo luminoso. Fue sin embargo Newton el que consiguió interpretar este fenómeno, suponiendo que los rayos tenían “lados”, propiedad que le pareció una objeción insuperable para la teoría ondulatoria de la luz, ya que en aquella época los científicos sólo estaban familiarizados con las ondas longitudinales. El prestigio de Newton, indujo el rechazo por parte de la comunidad científica de la teoría ondulatoria, durante casi un siglo, con algunas excepciones, como la de Leonhard Euler. No fue hasta el comienzo del Siglo XIX en que nuevos progresos llevaron a la aceptación generalizada de la teoría ondulatoria. El primero de ellos fue la enunciación por Thomas Young en 1801, del principio de interferencia y la explicación de los colores de películas delgadas. Sin embargo, como fueron expresadas en términos cualitativos no consiguieron reconocimiento generalizado. En esta misma época Étienne-Louis Malus describió la polarización por reflexión, en 1808 observó la reflexión del Sol desde una ventana a través de un cristal de espato de Islandia y encontró que las dos imágenes birrefringentes variaban sus intensidades relativas al rotar el cristal, aunque Malus no intentó interpretar el fenómeno. Aportes de Fresnel Artículo principal: Difracción de Fresnel Augustin-Jean Fresnel ganó un premio instituido en 1818 por la academia de París por la explicación de la difracción, basándose en la teoría ondulatoria, que fue la primera de una serie de investigaciones que, en el curso de algunos años, terminaron por desacreditar completamente la teoría corpuscular. Los principios básicos utilizados fueron: el principio de Huygens y el de interferencia de Young, los cuales, según demostró Fresnel, son suficientes para explicar, no sólo la propagación rectilínea, sino las desviaciones de dicho comportamiento (como la difracción). Fresnel calculó la difracción causada por rendijas, pequeñas aperturas y pantallas. Una confirmación experimental de su teoría de la difracción fue la verificación realizada por François Jean Dominique Arago de una predicción de Poisson a partir de las teorías de Fresnel, que es la existencia de una mancha brillante en el centro de la sombra de un disco circular pequeño. En el mismo año Fresnel también investigó el problema de la influencia del movimiento terrestre en la propagación de la luz. Básicamente el problema consistía en determinar si existe alguna diferencia entre la luz de las estrellas y la de fuentes terrestres. Arago encontró experimentalmente que (aparte de la aberración) no había diferencia. Sobre la base de este descubrimiento Fresnel desarrolló su teoría de la convección parcial del éter por interacción con la materia, sus resultados fueron confirmados experimentalmente en 1851 por Armand Hyppolyte. Junto con Arago, Fresnel investigó la interferencia de rayos polarizados y encontró en 1816 que dos rayos polarizados perpendicularmente uno al otro, nunca interferían. Este hecho no pudo ser reconciliado con la hipótesis de ondas longitudinales, que hasta entonces se había dado por segura. Young explicó en 1817 el fenómeno con la suposición de ondas transversales. Fresnel intentó explicar la propagación de la luz como ondas en un material (éter) y dado que en un fluido sólo son posibles las oscilaciones elásticas longitudinales, concluyó que el éter debía comportarse como un sólido, pero como en aquella época la teoría de ondas elásticas en sólidos no estaba desarrollada, Fresnel intentó deducir las propiedades del éter de la observación experimental. Su punto de partida fueron las leyes de propagación en cristales. En 1832, William Rowan Hamilton predijo a partir de las teorías de Fresnel la denominada refracción cónica, confirmada posteriormente de forma experimental por Humprey Lloyd. Fue también Fresnel el que en 1821 dio la primera indicación de las causas de la dispersión al considerar la estructura molecular de la materia, idea desarrollada posteriormente por Cauchy. Los modelos dinámicos de los mecanismos de las vibraciones del éter, llevaron a Fresnel a deducir las leyes que ahora llevan su nombre y que gobiernan la intensidad y polarización de los rayos luminosos producidos por la reflexión y refracción. La teoría del éter Artículo principal: Teoría del eter En 1850 Foucault, Fizeau y Breguet realizaron un experimento crucial para decidir entre las teorías ondulatoria y corpuscular. El experimento fue propuesto inicialmente por Arago y consiste en medir la velocidad de la luz en aire y agua. La teoría corpuscular explica la refracción en términos de la atracción de los corpúsculos luminosos hacia el medio más denso, lo que implica una velocidad mayor en el medio más denso. Por otra parte, la teoría ondulatoria implica, de acuerdo con el principio de Huygens que en el medio más denso la velocidad es menor. En las décadas que siguieron, se desarrolló la teoría del éter. El primer paso fue la formulación de una teoría de la elasticidad de los cuerpos sólidos desarrollada por Claude Louis Marie Henri Navier que consideró que la materia consiste de un conjunto de partículas ejerciendo entre ellas fuerzas a lo largo de las líneas que los unen. Diferentes desarrollos aplicables a la Óptica fueron realizados por Siméon Denis Poisson, George Green, James MacCullagh y Franz Neuman. Todas ellas encontraban dificultades por intentar explicar el fenómeno óptico en términos mecánicos. Por ejemplo, al incidir sobre un medio una onda transversal, se deberían producir ondas, tanto longitudinales como transversales, pero, según los experimentos de Arago y Fresnel, solo se producen del segundo tipo. Otra objeción a la hipótesis del éter es la ausencia de resistencia al movimiento de los planetas. Un primer paso para abandonar el concepto de éter elástico lo realizó MacCullagh, que postuló un medio con propiedades diferentes a la de los cuerpos ordinarios. Las leyes de propagación de ondas en este tipo de éter son similares a las ecuaciones electromagnéticas de Maxwell. A pesar de las dificultades, la teoría del éter elástico persistió y recibió aportaciones de físicos del siglo XIX, entre ellos William Thomson (Lord Kelvin), Carl Neumann, John William Strutt (Lord Rayleigh) y Gustav Kirchhoff. Las ondas luminosas como ondas electromagnéticas Artículo principal: Onda electromagnética Mientras tanto, las investigaciones en electricidad y magnetismo se desarrollaban culminando en los descubrimientos de Michael Faraday. James Clerk Maxwell consiguió resumir todo el conocimiento previo en este campo en un sistema de ecuaciones que establecían la posibilidad de ondas electromagnéticas con una velocidad que podía calcularse a partir de los resultados de medidas eléctricas y magnéticas. Cuando Rudolph Kohlrausch y Wilhelm Eduard Weber realizaron estas medidas, la velocidad obtenida resultó coincidir con la velocidad de la luz. Esto llevó a Maxwell a especular que las ondas luminosas eran electromagnéticas, lo que se verificó experimentalmente en 1888 por Heinrich Hertz.