La dualidad onda-corpúsculo de la luz

Desde el principio de los tiempos se ha tenido una eterna discusión sobre la naturaleza de la luz y especialmente a partir del siglo XVII en el que se pusieron claramente sobre la mesa dos teorías al respecto: La teoría ondulatoria de la luz, que dice que la luz es una onda y la teoría corpuscular, que dice que es una partícula o corpúsculo. Ambas tenían grandes científicos a sus espaldas, como son Huygens en el caso de la ondulatoria y el mismísimo Newton en la corpuscular.

La batalla fue dura, pues ambas tenían cosas a favor y en contra:

La teoría corpuscular era quizá más intuitiva a primera vista, pues decía que la luz era como una lluvia continua de partículas luminosas donde los rayos eran las trayectorias de dichas partículas, algo que es más o menos fácil de imaginar (probablemente más que una onda, en cualquier caso). Con este modelo se explicaba fácilmente el concepto de rayo y el fenómeno de reflexión y con un poco más de dificultad la refracción (cuando la luz pasa de un material a otro cambian algunas de sus propiedades como, la amplitud, la longitud de onda o la dirección, este fenómeno es la refracción) y la separación de los colores cuando la luz pasa a través de un prisma (fue el propio Newton el que lo descubrió y con ello, que la luz blanca estaba no era sino una composición del resto de los colores).

En cambio, no podía explicar satisfactoriamente otros fenómenos que se descubrieron más tarde (siglo XIX) como la difracción o la interferencia luminosa. Por último, y como un gran punto a favor a tener en cuenta, esta teoría era de Newton, probablemente el mejor científico de la historia y con una gran influencia intelectual en el momento, lo cual tuvo mucho que ver en el hecho de que se tuviera mucho más en cuenta esta teoría que la ondulatoria.

Antes de seguir empezar con la teoría ondulatoria, voy a explicar rápidamente cómo es una onda transversal (como lo es la luz) y qué es la difracción.

Una onda transversal es aquella en la que la perturbación se transmite mediante una vibración perpendicular a la dirección de la onda en sí. Es como la típica ola del público, desde fuera parece que efectivamente hay una onda recorriendo el estadio, pero en realidad nadie se ha movido de su sitio, solo se han levantado y sentado, o dicho de otra manera, han vibrado en torno a él.

La amplitud es la separación máxima de la vibración respecto a su punto de equilibrio. Está relacionada con la intensidad de la onda.

La longitud de onda es la separación espacial que hay entre dos puntos equivalentes de la onda (mismo punto y misma pendiente), como por ejemplos, dos crestas o dos valles.

Pero como una imagen vale más que mil palabras, aquí os dejo un esquema:

Difracción es un fenómeno por el que, si una onda pasa por una rendija de un tamaño similar al de su longitud de onda, dicha rendija se comporta como si fuera un foco de la onda. Aquí tenéis un par de imágenes:

Una vez sabido esto, vayamos con la teoría ondulatoria.

La teoría ondulatoria mantiene que la luz es una onda transversal. Hasta el momento en el que se postuló solo se conocían las ondas mecánicas, que se caracterizan por necesitar un medio por el que transportarse (como en el caso del sonido). En el caso de la luz, dicho medio sería el éter, una sustancia invisible e indetectable equivalente al “vacío” actual, concepto que duró hasta el siglo XIX, momento en el que fue finalmente desechado con la Teoría de la Relatividad de Einstein y el experimento de Michelson y Morley que la demostró.

El tema de la propagación estaba poco claro ya que el éter tendría que tener unas características algo contradictorias, por un lado sus partículas tendrían que estar ligadas para que para que cuando una partícula vibrara hiciera vibrar a la de al lado y así ir transmitiendo la onda, para lo cual debería ser un sólido, pero por otro, el éter no debería entorpecer en absoluto el movimiento de los cuerpos, cosa que sí haría un sólido.

Por otro lado, con el modelo ondulatorio se podían explicar bien los fenómenos de reflexión, refracción y, más adelante, los de difracción e interferencia lumínica, pero éstos no se tuvieron en cuenta a la hora de decidir qué teoría era mejor, puesto que no se descubrieron hasta dos siglos más tarde.

Por último, hay una cosa más que distinguía a ambas teorías, la corpuscular predecía que la luz iría más rápido por medios más densos, mientras que la ondulatoria predecía lo contrario, a menor densidad mayor velocidad.

Estas teorías tuvieron sus más y sus menos, empezó ganando la corpuscular, como quien dice, gracias al peso de Newton, pero luego la ondulatoria se fue imponiendo empíricamente con el experimento de Young y la medida de la velocidad de la luz en distintos medios, entre otros.

Pero la cosa no estuvo clara hasta que Maxwell (1831-1879) descubre que los campos eléctricos y los magnéticos están ligados, de forma que la variación de uno de esos campos genera al otro y viceversa. Producto de esto propone un nuevo tipo de onda: la onda electromagnética.

Con este nuevo descubrimiento parecía claro que la luz era efectivamente una onda, pues eso explicaría la mayoría de los fenómenos y lo que era más importante, de no ser así habría otros muchos que no podrían ser explicados.

Pero... ¿qué pasaba con esos fenómenos sin explicar?

Poco tiempo pasó hasta que en 1905 Alber Einstein, apoyándose en los estudios de Max Plank y sus cuantos de energía, diera explicación al Efecto fotoeléctrico, descubierto por Frank Herz veinte años atrás. Este artículo fue el que le dio el premio Nobel y lo que es más importante, se basaba en que la luz tenía naturaleza corpuscular, de no ser así, no se podría dar dicho efecto.

Llegados aquí parece que tenemos un gran problema. Hay fenómenos que solo se pueden explicar si aceptamos que la luz es una onda, como el experimento de Young, pero también hay fenómenos que implican necesariamente que la luz sea una lluvia de partículas.

Parece que solo hay una posibilidad: la luz tiene doble naturaleza, hay veces que se comporta como una onda y otras como una partícula.