Luz

La naturaleza de la luz

Hemos afirmado que la luz es una onda, lo que sugiere que cada rayo de luz debe tener una longitud de onda asociada y viajar en línea recta.

Las ondas luminosas pueden tener distintas longitudes de onda, que determinan el color de la luz visible que se observa. Esto significa que cada vez que ves una hermosa rosa roja en un día soleado, tus ojos perciben un reflejo de luz roja de la rosa, que tiene una longitud de onda de unos 650 nm.

Ahora podemos ser más precisos y decir que la naturaleza de la luz es la de una onda transversal. Transporta energía de un punto a otro, como hacen todas las ondas viajeras. La palabra transversal no es más que una referencia al hecho de que los campos eléctrico y magnético oscilan (se agitan), de ahí la palabra electromagnético.

La luz blanca, como la luz del sol, está formada por todas las longitudes de onda de la luz visible juntas. Lo sabemos porque la luz presenta una propiedad llamada dispersión al atravesar un prisma de cristal, como se muestra en la figura siguiente.

La luz blanca se dispersa a través de un prisma en todos los colores del espectro visible, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

La luz blanca, una vez dispersada, nos da todos los colores del espectro electromagnético visible, que es lo que verías en un arco iris. La luz roja tiene una longitud de onda de unos 700 nanómetros (700 x¹⁰⁹ metros), mientras que la luz violeta, en el extremo opuesto del espectro electromagnético, tiene una longitud de onda de unos 380 nanómetros.

La velocidad de la luz

Todas las ondas que se desplazan pueden considerarse esencialmente oscilaciones portadoras de energía en movimiento. Esto significa que las ondas luminosas no deberían ser diferentes, y si la luz está en movimiento, debe tener una velocidad. Resulta que la luz no sólo tiene una velocidad, sino que su velocidad es la más rápida del universo. La velocidad de la luz en el espacio libre, c, es de 300 millones de metros por segundo (3,00 x¹⁰⁸ m/s), que es una constante y constituye esencialmente el límite de velocidad del universo que no puede ser superado por ningún otro objeto.

Esta afirmación nos dice que, independientemente del color (o longitud de onda) de la luz, su velocidad es siempre la misma. Sabemos, sin embargo, por el tema de las ondas, que la velocidad de una onda v, o en este caso, c, puede escribirse como sigue:

$$\begin{gathered} \text{speed = frequency × wavelength} \\ c=f\lambda \end{gathered}$$

En este caso, sabemos que la longitud de onda de la luz es λ, y la frecuencia de la onda es f. Esto se conoce como ecuación de onda. Por tanto, para mantener c constante, la longitud de onda y la frecuencia de la onda deben ser inversamente proporcionales (es decir, el aumento de una provoca la disminución de la otra y viceversa).

Utilicemos esta ecuación para hallar la longitud de onda de la luz roja en el siguiente ejemplo.

Las propiedades de la luz

Existen muchas propiedades de las ondas luminosas, pero trataremos dos en detalle: la reflexión y la refracción. Son dos de las propiedades más importantes de la luz, que pueden utilizarse para realizar observaciones de objetos distantes en el universo.

Reflexión

Hemos mencionado antes que el color de una rosa se debe a la reflexión de la luz visible de la rosa. La reflexión es una propiedad del movimiento ondulatorio que presenta la luz visible. La reflexión se produce cuando la luz que viaja a través de un determinado medio incide en un límite entre dos medios, y la luz "rebota" en el límite o cambia de dirección al chocar con dicho límite y sigue su camino en el medio original. Para ilustrarlo, mira el diagrama siguiente.

Un rayo de luz que viaja por el aire incide en un espejo plano. Se refleja, es decir, cambia de dirección y permanece en el aire, Wikimedia Commons CC BY 4.0

Podemos ver que el ángulo con respecto al espejo plano es el mismo para el rayo electromagnético entrante que para el rayo reflejado. Imagínate de pie en la trayectoria del rayo reflejado y sustituye el espejo plano por un tranquilo lago azul. El lago refleja los rayos de luz visibles del cielo (con nubes y todo) y envía los rayos reflejados a tus ojos, por lo que puedes ver el cielo desde arriba mientras miras hacia abajo.

Refracción

La refracción es otra propiedad del movimiento ondulatorio que muestra la luz visible. Se produce cuando los rayos de luz pasan de un medio a otro y, al hacerlo, cambian de dirección y velocidad. Esto se ilustra con la flecha roja de la figura siguiente.

Un rayo de luz incide en el límite entre dos medios. Sufre refracción cambiando de dirección y moviéndose a lo largo de la línea roja, adaptada de una imagen de CNX OpenStax CC BY 4.0

Los tipos de medios y la longitud de onda (color) de la luz incidente determinan el grado de refracción de un rayo de luz cuando se desplaza entre los medios. La refracción es la razón por la que los objetos de un estanque o lago profundo parecen estar más cerca de la superficie de lo que realmente están. Este fenómeno se denomina profundidad aparente y ha engañado a muchos pescadores en el pasado.

Otras propiedades de la luz

La reflexión y la refracción no son las únicas propiedades de las ondas luminosas, pero son dos de las más importantes. Otras propiedades de la luz son la interferencia, la difracción, la polarización, la dispersión y la dispersión. Al igual que la profundidad aparente, un estudio más profundo de cada una de estas propiedades nos permitirá comprender fenómenos que experimentamos a diario pero quenopodemos explicar.