Ángel Zamora Ramírez
Licenciado en Física

La óptica es la rama de la física dedicada al estudio del comportamiento, las propiedades y las aplicaciones de la luz, al mismo tiempo, está íntimamente relacionada con el electromagnetismo y la mecánica cuántica.

La luz forma una parte fundamental de nuestras vidas. Gracias a ella podemos ver el mundo que nos rodea, la luz proveniente del Sol también es fundamental para los organismos fotosintéticos de los cuáles depende la existencia del resto de formas de vida y la luz también es el eje central de muchas tecnologías médicas, aparatos electrónicos y de las comunicaciones, además de ser una pieza fundamental para el estudio del universo.

Todo el conocimiento que tenemos actualmente sobre la luz es resultado de miles de años de estudio. Sin embargo, la óptica sigue siendo un campo de estudio bastante activo debido a varias cuestiones que siguen sin resolverse y también debido a la infinidad de aplicaciones que tiene la óptica.

Historia de la óptica

Los primeros indicios de un estudio más sistematizado de la luz datan del antiguo Egipto hace unos 5 mil años. Estas evidencias constan de lentes y espejos hechos a partir de cristales, lo cual parece indicar que los antiguos egipcios ya conocían las propiedades geométricas de la luz.

El estudio de la luz continuó en la Grecia Clásica en dónde tuvo un auge. Algunos filósofos griegos como Aristóteles, Pitágoras y Platón dedicaron varios esfuerzos para tratar de explicar la naturaleza de la luz y el proceso de visión. No obstante, fue el filósofo y matemático griego Euclides quién escribió un tratado de óptica en el que incorporó sus conocimientos sobre geometría y dio paso al desarrollo de la óptica geométrica. Tiempo después, el filósofo griego Ptolomeo escribió otro tratado sobre óptica basándose en los trabajos anteriores de los filósofos griegos y en el tratado de Euclides para postular definitivamente la “Teoría de Extromisión” que intentaba explicar el proceso de visión por medio de rayos luminosos que emanaban de los ojos.

Durante la Edad Media el desarrollo de la óptica se llevó a cabo principalmente por los árabes. De entre todos los filósofos árabes que se dedicaron al estudio de la luz destaca la obra del filósofo y matemático árabe Abu Alí al-Hassan ibn al-Haytham, conocido en occidente como Alhazen. Alhazen desafío muchos de los postulados hechos anteriormente por los griegos, describió el fenómeno de reflexión, dio la primera explicación científica de la cámara oscura y desafió la teoría de extromisión de los antiguos griegos basándose en disecciones que hizo de ojos de bueyes y argumentando que los ojos más bien se encargaban de recolectar la luz que era reflejada por los objetos. Con su obra, Libro de óptica, se convirtió en la principal figura de la óptica ganándose el título de padre de la óptica moderna e incluso siendo considerado por muchos también padre del método científico.

Durante el renacimiento se hicieron algunos avances en la óptica gracias a los trabajos de Galileo Galilei, Johannes Kepler y René Descartes. No obstante, el punto de inflexión ocurrió en el Siglo XII, cuando dos interpretaciones sobre la naturaleza de la luz se enfrentaron entre sí.

La primera de ellas fue la “Teoría Corpuscular” propuesta por Isaac Newton. Newton también se dedicó a estudiar las propiedades y la naturaleza de la luz, su trabajo sobre la luz lo plasmó en su obra Opticks. Basándose en los experimentos que realizó con lentes y prismas, Newton propuso que la luz estaba compuesta por pequeños corpúsculos que viajaban rápidamente. De esta manera pudo explicar cómo la luz se propagaba en línea recta y también pudo explicar los fenómenos de reflexión y refracción.

En contraparte, se tenía a la “Teoría Ondulatoria” propuesta por el astrónomo holandés Christiaan Huygens. Huygens propuso que el espacio estaba ocupado por un medio llamado “Éter” y que la luz eran ondas que resultaban de la perturbación de este. De esta manera Huygens pudo explicar porqué cuando la luz viajaba de un medio a otro, parte de esta se reflejaba y parte de esta se refractaba, además de poder explicar el fenómeno de difracción.

El científico inglés Thomas Young ideó más tarde un experimento conocido como “Experimento de la Doble Rendija”. En este experimento, Young hizo pasar luz a través de dos rendijas estrechas y observó que se formaba un patrón de interferencia característico de un comportamiento ondulatorio. Esto apoyó la hipótesis ondulatoria de Huygens.

Hacía mediados del Siglo XIX, el físico y matemático Jamer Clerk Maxwell publicó sus famosas ecuaciones que sintetizaban todos los conocimientos sobre electricidad y magnetismo en una única Teoría Electromagnética. Uno de los resultados que se obtienen de dichas ecuaciones es que los campos eléctricos y magnéticos pueden comportarse como ondas que se propagan por el vacío y que viajan a la misma velocidad a la que viaja la luz. De esta manera se llegó a la conclusión que la luz era una onda electromagnética, pero, que podía propagarse por el vacío. Esto fue comprobado experimentalmente en 1887 gracias a un experimento realizado por Albert Michelson y Edward Morley y la hipótesis del éter quedó descartada.

Otra propiedad de la luz arrojada por las ecuaciones de Maxwell fue su velocidad constante, independientemente del marco de referencia del observador y de la fuente luminosa. Esto llevó a que Albert Einstein desarrollara su Teoría de Relatividad y cambió para siempre el concepto que tenemos del tiempo y del espacio.

A principios del Siglo XX los físicos intentaban dilucidar cómo es que los cuerpos emitían radiación electromagnética en función de su temperatura. Fue en este punto que la teoría clásica falló rotundamente, este episodio en la historia de la física se conoce como “Catástrofe Ultravioleta”. La solución a esto vino del físico alemán Max Planck, quien propuso que la radiación electromagnética emitida por un cuerpo con cierta temperatura se hacía en pequeños paquetes de energía a los que llamó “cuantos” y de esta manera dio paso al desarrollo de la mecánica cuántica.

La hipótesis de Planck fue utilizada por Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico, cosa que le valió el Premio Nobel de Física en 1921. Sin embargo, esta nueva visión de la luz encajaba más con la teoría corpuscular propuesta por Newton. Hoy en día se acepta que la luz tiene naturaleza dual, es decir, puede comportarse como onda y como partícula, este se conoce como “Dualidad Onda – Partícula de la Luz”.

Hoy en día la óptica sigue siendo un campo de investigación muy amplio y activo. Esto es así debido a varias cuestiones fundamentales que todavía no están resueltas, pero también a la infinidad de aplicaciones que tiene la óptica en otras ramas como la astronomía, la medicina, la ingeniería, las telecomunicaciones, etc.

Tal ha sido el impacto de la óptica en nuestras vidas que en 2015 la UNESCO declaró el Año Internacional de la Luz y las Tecnologías Basadas en la Luz, desde este año se conmemora cada 16 de mayo “El Día Internacional de la Luz”.

Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Maestro en Ciencias en Ingeniería y Física Biomédicas egresado del CINVESTAV. Amante de la divulgación científica.

Art. actualizado: Agosto 2023; sobre el original de agosto, 2009.

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