Significado: Óptica (Geométrica, Ondulatoria y Cuántica) y Características

Definición formal

La óptica aborda la dinámica de luz, para revelar y trabajar sobre las formas en que actúa y se manifiesta, y por extensión, el espectro electromagnético del cual forma parte. La óptica tiene una larga tradición histórica, ya que junto a la astronomía, es una de las ciencias más antiguas que existen.

Hay tres grandes áreas en la actualidad. La óptica geométrica y óptica la física (u ondulatoria) forman parte de la Física clásica y están estrechamente relacionadas con la dualidad onda–partícula propia de la luz, mientras que la óptica cuántica, es mucho más reciente en términos comparativos, ya que combina los principios de la mecánica cuántica desarrollada a comienzos del siglo XX con los de la óptica ondulatoria.

Características de la óptica geométrica

La forma en como la luz se propaga y los fenómenos comúnmente asociados con ello, como la refracción y reflexión, pertenecen al campo de la óptica geométrica. Esta parte de la óptica es la más antigua, pues desde tiempo inmemorial, las personas se preguntaron cómo es que podían ver su reflejo en una superficie bruñida, o por qué una varilla parece quebrarse cuando se sumerge parcialmente en un vaso con agua.

Tal vez al lector le parezca sorprendente que mucha gente en la Edad Media usaba espéculos para ver mejor. Los ópticos de aquel entonces tallaban estos lentes de muchas maneras, y las personas elegían aquellos con los se sentían a gusto. Nada nuevo, tomando en cuenta que los arqueólogos han encontrado lentes de cuarzo talladas que datan del 700 a.C. Pero es poco probable que los talladores supieran exactamente el por qué servían para ver mejor, ya que la teoría más aceptada por los sabios de la antigüedad era que los ojos emitían una especie de rayos que hacía visible a los objetos.

Como ciencia, la óptica geométrica dio comienzo formalmente gracias al geómetra griego de la antigüedad Euclides, quien comenzó plasmando en una de sus obras su visión de la óptica a través de la geometría, aunque es seguro que los sabios chinos e hindúes también conocían algunos principios.

No requiere conocer mucho acerca de la física de la luz ni su naturaleza, simplemente la representa a través de rayos que siguen una trayectoria rectilínea.

Partiendo de esta representación, se establecieron las siguientes leyes empíricas acerca de la reflexión y la refracción de la luz:

– La ley de la reflexión
– El principio de Fermat
– La ley de Snell

En conjunto con la geometría de Euclides, estas leyes explican, a través de una matemática muy simple, la formación de imágenes en los espejos, el funcionamiento de las lentes para amplificar los objetos, la proyección de las imágenes, las cámaras fotográficas y cómo trabaja el sentido de la vista.

En la siguiente figura se muestra un rayo de luz que incide sobre una superficie plana, por ejemplo un cristal, y la forma como el rayo en parte se refleja y en parte se transmite. Los ángulos de incidencia y reflexión tienen igual medida, mientras que el ángulo con el cual el rayo se transmite a través del cristal es diferente y depende de la naturaleza del material.

Estos principios funcionan muy bien cuando se trata de explicar la interacción entre la luz y los objetos mucho mayores que su longitud de onda. Tomando en cuenta que la longitud de onda de la luz visible está entre 400 y 700 nanómetros (1 nanómetro = 1 × 10-9 m), es fácil ver que la óptica geométrica trabaja a una escala que es muy familiar para todos.

Óptica ondulatoria

Se la conoce también como óptica física, debido a que su objetivo es explicar los fenómenos de la luz empleando los principios de la física de las ondas. La naturaleza de la luz había sido objeto de debate durante siglos, ya que algunos, como Newton, consideraban que era un haz de partículas, mientras que Huygens, contemporáneo de Newton, creía que la luz era una onda.

Como onda, al interactuar con la materia la luz experimenta fenómenos ondulatorios típicos, tales como la interferencia, la difracción y la polarización, que la óptica geométrica no consigue explicar satisfactoriamente con el modelo de rayos.

Sin embargo, un famoso experimento efectuado a comienzos del siglo XIX, llamado el experimento de la doble rendija de Young, puso en evidencia que la luz es capaz de formar un patrón de interferencia de franjas claras y oscuras, por lo que en efecto se trata de una onda.

Per ¿qué clase de onda es la luz? Esto fue algo que no se puso de manifiesto hasta que James C. Maxwell propuso que la luz es una onda electromagnética, es decir, campos eléctricos y magnéticos perpendiculares entre sí, tal como las ondas de radio, las microondas y los rayos X. La diferencia estriba en la longitud de onda de cada una, pero todas forman parte del espectro electromagnético.

Óptica cuántica

Esta rama de la óptica más reciente se encarga de aplicar los principios de la mecánica cuántica al comportamiento de la luz. A principios del siglo XX quedó claro que la luz no solamente era una onda, sino una partícula y al ser radiación electromagnética, la partícula portadora de la interacción es el fotón.

La primera evidencia de la cuantización de la luz se obtuvo del estudio de la luz emitida por un cuerpo negro (un objeto ideal, en equilibrio térmico, que absorbe totalmente la radiación que le llega). Pese al nombre, hasta el Sol puede modelarse (en primera instancia al menos) como un cuerpo negro, simplemente ocurre que, a la temperatura ambiente, la mayor parte de la radiación emitida es infrarroja y no se ve.

El físico alemán Max Planck determinó que la energía de la radiación (el “cuanto”) venía dada en unidades indivisibles, a las que posteriormente Einstein dio el nombre de fotones.

Los fotones son bastante peculiares: se mueven a la velocidad de la luz, no son partículas materiales y se pueden encontrar en cualquier parte de la onda electromagnética con cierta probabilidad. Por ejemplo, cuando se forma el patrón de zonas claras y oscuras en el experimento de Young, es más probable encontrar el fotón en las zonas brillantes que en las oscuras.

Gracias a este comportamiento probabilístico, la mecánica cuántica es la que, finalmente, se toma el trabajo de explicar la verdadera naturaleza de la luz, dando lugar a la óptica cuántica. Algunas de sus aplicaciones son muy conocidas: el láser y la computación cuántica entre las más notables, que actualmente resuenan con fuerza en las noticias.