La Web de Experiencias de Física desarrollada en el Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal de la Universidad de Alicante ha sido incluida entre los RECURSOS DIDÁCTICOS de la Web Red de Universidades Valencianas para el fomento de la Investigación, el Desarrollo y la Innovación (RUVID).
La Óptica es la parte de la Física que se ocupa de la luz visible y de otras ondas electromagnéticas. La luz posee una “doble personalidad”, a veces se comporta como una onda y otras lo hace como corpúsculos o paquetes discretos de energía llamados fotones, lo que se denomina “dualidad onda-corpúsculo”. Por analogía con el término Electrónica, en los últimos años se ha acuñado el término Fotónica. Aunque a menudo los términos Óptica y Fotónica se utilizan indistintamente, en ocasiones se usa este último cuando se quiere destacar la naturaleza corpuscular de la luz. El número de dispositivos y sistemas que operan con luz es cada vez mayor y se aplican en áreas muy diversas, todos ellos constituyen las “tecnologías basadas en la luz”.
Hoy en día la Óptica y sus tecnologías han salido de las universidades y de los laboratorios de investigación y forman parte de nuestra vida cotidiana. Las encontramos en hospitales e industrias de todo tipo. Compensan nuestra visión y la mejoran. Con ayuda de las fibras ópticas transportan nuestras conversaciones telefónicas, llevan las imágenes a nuestros televisores y conectan nuestros ordenadores a internet. Están en las pantallas de nuestros teléfonos móviles, en los lectores de códigos de barras y códigos QR, así como en los reproductores de audio y vídeo. Se hallan en sistemas de impresión, visión artificial, iluminación LED y de seguridad como los hologramas de billetes y tarjetas de crédito. Es evidente que las tecnologías basadas en la luz afectan a cada día de nuestras vidas.
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Uno de los acontecimientos que se conmemoran este año es el segundo centenario de la teoría ondulatoria de la luz propuesta por Fresnel. En 1815 Augustin Fresnel publicó el artículo “Premier Mémoire sur la Diffraction de la Lumière”.
Del mismo modo que Young fue el responsable del resurgimiento de la teoría ondulatoria de la luz en Inglaterra gracias a sus experimentos sobre interferencias con ondas luminosas, Augustin Jean Fresnel (1778-1827) comenzó a revivir de manera brillante la teoría ondulatoria en Francia, ajeno en un principio a los esfuerzos realizados por Thomas Young varios años antes. Fresnel era hijo de un arquitecto y su aprendizaje fue lento, valga como ejemplo que era incapaz de leer cuando tenía ocho años de edad. Sin embargo, a los dieciséis años se graduaba con honores en la Escuela Politécnica de París, una de de las más célebres y prestigiosas escuelas francesas de ingenieros.
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”.
Hace 200 años, el 15 de octubre de 1815, publica la “Memoria sobre la difracción 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.Éste puede ser una pantalla con una pequeña abertura, una ranura que sólo permite el paso de una pequeña fracción de la onda incidente o un objeto pequeño que bloquea el paso de una parte del frente de onda. En realidad no hay distinción física significativa entre interferencia y difracción, pero es algo común, aunque no siempre apropiado, hablar de interferencia cuando se analiza la superposición de solamente unas pocas ondas y de difracción cuando se trata de un gran número de ondas. A pesar de ello, es habitual referirse, por ejemplo, a la interferencia de haces múltiples en un contexto y a la difracción por una red en otro. El principio de Huygens-Fresnel permite calcular los patrones de difracción generados por obstáculos y aberturas y explicar de forma satisfactoria la propagación rectilínea en medios homogéneos, eliminando así la objeción principal de Newton para la teoría ondulatoria. Puede decirse que este principio lleva a la siguiente conclusión: “la luz se difracta y la interferencia está en el corazón del proceso”. Fresnel también estudió el fenómeno de la polarización, comprobando que dos luces cuyas polarizaciones son perpendiculares no interfieren, por lo que concluyó que la luz era una onda transversal.
Fresnel dio rigor matemático a la teoría ondulatoria de la luz, acontecimiento que como ya se ha señalado conmemoramos en este “Año de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz”. Su teoría tuvo un gran éxito y dio lugar a una avalancha de nuevos descubrimientos.
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.
Fresnel murió de tuberculosis cuando apenas contaba con 37 años, casi como uno de los poetas románticos contemporáneos. Nunca sabremos qué descubrimientos habría podido proporcionarnos si no hubiera muerto tan joven.
A. Udías, Historia de la Física: De Arquímedes a Einstein. Editorial Síntesis. Madrid, 2004.
E. Hecht y A. Zajac, Óptica. Fondo Educativo Interamericano. México, 1977.
Vídeo de la conferencia “La ‘síntesis’ de Maxwell: 150 aniversario de la Teoría Electromagnética de la Luz” impartida el 12 de febrero de 2015 en la Escuela Politécnica Superior de la Universidad de Alicante y que se enmarca dentro del ciclo de conferencias organizadas con motivo del “Año Internacional de la Luz y de las Tecnologías basadas en la Luz” por la Sección de Alicante de la Real Sociedad Española de Física, la Sociedad Española de Óptica, la Universidad de Alicante y la Universidad Miguel Hernández de Elche.
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La Asamblea General de las Naciones Unidas (ONU) proclamaba, en su 68ª Asamblea Anual, 2015 como el “Año Internacional de la Luz y las Tecnologías basadas en la Luz”, reconociendo así la importancia de la luz en la vida, en el desarrollo de la sociedad y en los retos a los cuales se enfrenta la Humanidad. La luz y sus tecnologías son esenciales para abordar metas como desarrollo sostenible y la mejora de la calidad de vida por su impacto en áreas como la ciencia, la ingeniería, la arquitectura, la agricultura, la salud, la educación y el arte entre otras. Asimismo, el pasado 12 de noviembre, la Asamblea General de la CRUE aprobó la adhesión de la CRUE a las acciones que se deriven de la celebración del Año Internacional de la Luz, lo que se informó a los distintos rectores de las Universidades Españolas. A continuación, el Consejo de Gobierno de la Universidad de Alicante aprobó en su sesión del pasado 28 de enero la adhesión de la UA a esta celebración. Con este motivo, la Sección Local de Alicante de la Real Sociedad Española de Física, RSEF, presidida por Sergi Gallego, profesor titular del Departamento de Física, Ingeniería de Sistemas y Teoría de la Señal de la UA, en colaboración con otras sociedades e instituciones, en las que se cuentan la Universidad de Alicante, la Universidad Miguel Hernández, y la Sociedad Española de Óptica, han organizado un ciclo de conferencias y una exposición de paneles sobre el año de la luz y hologramas.
