Young, Fresnel y la teoría ondulatoria de la luz

2015, Año Internacional de la Luz y de Las Tecnologías basadas en la Luz

A finales del siglo XVII había dos teorías enfrentadas sobre la naturaleza de la luz, la teoría ondulatoria defendida por Christian Huygens (1629-1695) y Robert Hooke (1635-1703) y la teoría corpuscular a cuya cabeza se sitúo el mismísimo Isaac Newton (1642-1727). Si añadimos además que Newton y Hooke eran enemigos irreconciliables podemos imaginarnos lo que pasó: Durante todo el siglo XVIII la teoría corpuscular de la luz gozó del favor de la mayoría de los científicos, fundamentalmente por el peso de la autoridad científica de Newton, que cayó como una losa sobre la teoría ondulatoria aplastando a sus partidarios.

Sin embargo, las cosas cambiaron entre 1801 y 1815 gracias a la demostración experimental del carácter ondulatorio de la luz realizada por Thomas Young (1773-1829) y a la formalización de la teoría ondulatoria de la luz llevada a cabo por Augustin Jean Fresnel (1778-1827).

Thomas Young Augustin Fresnel

Thomas Young                                       Augustin Fresnel

Thomas Young nació en Inglaterra en 1773 en el seno de una familia cuáquera y recibió una educación estricta. Fue un niño prodigio. A los dos años ya leía y a los seis había leído la Biblia dos veces de cabo a rabo. Conocía una docena de lenguas incluidas el latín y el griego antiguo y estudió Medicina, aunque a la larga no tuvo éxito como médico, en parte por su poca habilidad para reconfortar a los pacientes. Con veintiocho años abandonó la práctica médica para unirse a la Royal Institution de Londres.

Fue uno de los primeros en descifrar jeroglíficos egipcios y desempeñó un papel esencial en la descodificación de la piedra Rosetta. Fue un lingüista fenomenal, el primero en identificar similitudes entre numerosos idiomas a los que denominó indoeuropeos. Realizó estudios sobre la visión y el ojo humano y propuso la teoría tricromática de la visión confirmada hace poco más de medio siglo. Investigó sobre el sonido, la audición y la voz humana y fue entonces cuando se preguntó si el sonido y la luz no tendrían la misma naturaleza ondulatoria. Realizó descubrimientos en prácticamente todos los campos que estudió, incluyendo mecánica y elasticidad. Para muchos Young es “el último hombre que lo sabía todo”.

dibujos de young

Su contribución fundamental al campo de la luz es el experimento de la doble rendija, considerado como uno de los experimentos “más bellos de la física”, y que probaba que la luz sufre el fenómeno de las interferencias que es propio de las ondas. En la imagen podemos ver el patrón interferencial en una pantalla: una sucesión de franjas brillantes y oscuras. Luz más luz puede dar lugar a oscuridad. Este fenómeno se conoce como interferencia y con este experimento se corroboraron las ideas intuitivas de Huygens respecto al carácter ondulatorio de la luz. La siguiente imagen muestra la Lámina XXX  del libro “A Course of Lectures on Natural Philosophy and the Mechanical Arts” (Thomas Young, 1807). La Fig. 442 corresponde al experimento de la doble rendija.

El 12 de noviembre 1801 presentó ante la Royal Institution The Bakerian Lecture: “On the Theory of Light and Colours” (Sobre la Teoría de la Luz y los Colores) y el 24 de noviembre de 1803 también The Bakerian Lecture: “Experiments and Calculations relative to Physical Optics” (Experimentos y cálculos relativos a la óptica física) en la que presentaba la “demostración experimental de la ley general de la interferencia de la luz” y afirmaba que la luz era una onda. Como todas las ondas conocidas necesitaban un medio material para su propagación, como sucede con el sonido, las ondas en un estanque o las olas del mar, Young consideró que la luz se propagaba en un medio, el éter luminífero, concluyendo que “A luminiferous Ether pervades de Universe, rare and elastic in high degree” (Un éter luminífero impregna todo el Universo, raro y elástico en alto grado) y afirmó de forma contundente que “Radiant light consists in Undulations of the luminiferous Ether” (la luz radiante consiste en ondulaciones del éter luminífero).

Al igual que Young es el responsable del resurgimiento de la teoría ondulatoria de la luz en Inglaterra, Augustín Fresnel comenzó a revivir de manera brillante la teoría ondulatoria de la luz en Francia, ajeno en un principio a los experimentos realizados por Young varios años antes. Fresnel nació en Broglie en 1788. A diferencia de Young su aprendizaje fue lento y a los ocho años aún no sabía leer. Estudio ingeniería de caminos y puentes en la Escuela Politécnica. Redescubrió el fenómeno de las interferencias con una variante del experimento de la doble rendija de Young usando el “biprisma de Fresnel” y los “espejos de Fresnel”.

Hace 200 años, en 1815, publica la “Premier Mémoire sur la Diffraction de la Lumière” (Primera Memoria sobre la difracción de la luz) y “Théorie de la Lumière” (Teoría de la Luz) donde sintetizó los conceptos de la teoría ondulatoria de Huygens y el principio de interferencia de Young y analizó el fenómeno de la difracción, también característico de las ondas y que se presenta cuando una onda es distorsionada por un obstáculo. Fresnel dio rigor matemático a la teoría ondulatoria de la luz, acontecimiento que también conmemoramos en este Año de la Luz 2015. Su teoría tuvo un gran éxito y dio lugar a una avalancha de nuevos descubrimientos.

Theorie de la lumiere

Fresnel redescubrió el fenómeno de las interferencias con una variante del experimento de la doble rendija de Young usando el “biprisma de Fresnel” y los “espejos de Fresnel”. Fresnel también estudió la polarización de la luz concluyendo que las ondas luminosas eran ondas transversales, y desarrolló la teoría de la óptica de cristales. Al igual que Young adoptó el concepto de éter luminífero como medio en el que se propagan las ondas luminosas. Como la luz es una onda transversal sólo se podía propagar en los sólidos y concluyó que el éter tenía las propiedades de un sólido elástico de elevada rigidez. Esta idea se contraponía a la de su enorme sutileza, que permitía a todos los cuerpos moverse a través del éter sin dificultad. Así el éter luminífero empezaba a presentar propiedades físicas contradictorias.

Fresnel es uno de los 72 científicos e ingenieros franceses ilustres cuyos nombres aparecen justo encima de los cuatro arcos debajo de la primera planta de la Torre Eiffel, hacia el exterior, a razón de 18 nombres por fachada, el nombre de Fresnel está en la fachada de la torre que da a la Escuela Militar.

Torre Eiffel. Fachada que da a la Escuela Militar / Créditos: Augusto Beléndez.

BIBLIOGRAFÍA

Robert P. Crease, El prisma y el péndulo: Los diez experimentos más bellos de la ciencia (Crítica, Barcelona, 2006).

Agustín Udías, Historia de la Física: De Arquímedes a Einstein (Síntesis. Madrid, 2004).

Augusto Beléndez, “La unificación de luz, electricidad y magnetismo: La ‘síntesis’ electromagnética de Maxwell”, Revista Brasileira de Ensino de Física, Vol. 30, Nº 2, pp. 2601-1/20 (2008).

Andrew Robinson, The last man who knew everything (Oneworld. Oxford, 2008).

About Augusto Beléndez

Catedrático de Física Aplicada en el Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal de la Universidad de Alicante. Miembro del Instituto Universitario de Física Aplicada a las Ciencias y las Tecnologías (IUFACyT) así como del Grupo de Investigación "Holografía y Procesado Óptico" (GHPO) y del Grupo de Innovación Tecnológica-Educativa "Física, Óptica y Telecomunicaciones" (GITE-FOT). Miembro de la RSEF y SEDOPTICA. Senior member de la OSA y Fellow member del SPIE. -- Full Professor of Applied Physics in the Department of Physics, Systems Engineering and Signal Theory at the University of Alicante (Spain). Member of the University Institute of Physics Applied to Sciences and Technologies (IUFACyT) as well as the Research Group "Holography and Optical Processing" (GHPO) and the Technological-Educational Innovation Group "Physics, Optics and Telecommunications" (GITE-FOT). Member of the RSEF and SEDOPTICA. OSA Senior member and SPIE Fellow.
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