Una breve historia

 1.1 PRÓLOGO

En los capítulos siguientes desarrollaremos un tratamiento formal de parte de la ciencia de la Óptica, con particular énfasis en los aspectos de interés contemporáneo. El tema comprende un vasto cuerpo de conocimientos acumulados durante aproximadamente tres mil años de la escena humana. Antes de embarcarnos en un estudio de la visión moderna de lo relacionado con la óptica, tracemos brevemente el camino que nos llevó hasta ahí, no siendo otra razón que la de poner todo en perspectiva.

1.2 EN EL COMIENZO

Los orígenes de la tecnología óptica se remontan a la antigüedad. En Éxodo 38:8 (1200 a.C.) se relata cómo, mientras preparaba el arca y el tabernáculo, Besalel remoldeaba «los espejos de las mujeres» en un lavabo de latón (una vasija de ceremonia). Los primeros espejos se hicieron de cobre pulido, bronce y más tarde de especulum, una aleación de cobre rica en estaño. Algunos ejemplares del antiguo Egipto han sobrevivido -un espejo en perfectas condiciones fue descubierto junto con algunas herramientas del cuartel de trabajadores cerca de la pirámide de Sesostris II (1900 a.C.) en el valle del Nilo. Los filósofos griegos, Pitágoras, Demócrito, Empédocles, Platón, Aristóteles y otros desarrollaron varias teorías sobre la naturaleza de la luz (la del último mencionado era muy similar a la teoría del éter del siglo diecinueve). Se conocían tanto la propagación rectilínea de la luz (pág. 88) como la ley de la reflexión (pág. 96) enunciada por Euclides (300 a.C.) en su libro Catóptrica. Hero de Alejandría trató de explicar ambos fenómenos afirmando que la luz viaja por el camino más corto entre dos puntos. Aristófanes en su sátira Las nubes (424 a.C.) aludía al vidrio quemador (una lente positiva que se utilizaba para encender fuegos). El doblamiento aparente de los objetos parcialmente sumergidos en agua (pág. 104) se menciona en La república de Platón. La refracción fue estudiada por Cleomedes (50 d.C.) y más tarde por Claudio Tolomeo (130 d.C.) de Alejandría, quien tabuló medidas muy precisas de los ángulos de incidencia y refracción para varios medios (pág. 100). Está claro, según los escritos del historiador Plinio (23-79 d.C.) que los romanos también poseían vidrios quemadores. Varias esferas de vidrio y cristal han sido encontradas entre las ruinas romanas y se recuperó una lente plano-convexa en Pompeya. El filósofo romano Séneca (3 a.C.-65 d.C.) indicó que se podía usar un globo de vidrio lleno de agua como lupa. Es ciertamente posible que algunos artesanos romanos utilizaran lupas, facilitándoles así el trabajo que contenía detalles muy finos.

Después de la caída del Imperio Romano Occidental (475 d.C.), que marca aproximadamente el comienzo de la Edad Media, no se produjo prácticamente ningún progreso científico en Europa durante mucho tiempo. El dominio de la cultura grecorromano-cristiana en las tierras que abarca el Mediterráneo, pronto cedió por la conquista del régimen de Alá. El centro de estudios se trasladó al mundo árabe y la óptica se estudió y difundió, gracias sobre todo a Alhazen (1000 d.C.) quien trabajó en la ley de la reflexión, poniendo los ángulos de incidencia y reflexión en el mismo plano normal a la interfaz (pág. 101); estudió los espejos esféricos y parabólicos y describió detalladamente el ojo humano (pág. 207).

A finales del siglo XIII, Europa empezó a despertar de su estupor intelectual. Los trabajos de Alhazen fueron traducidos al latín y tuvieron un gran efecto en los escritos de Robert Grosseteste (1175-1253), obispo de Lincoln, y en el matemático polaco Vitello (o Witelo) quienes influyeron en la reiniciación del estudio de la óptica. Sus trabajos fueron conocidos por el franciscano Roger Bacon (1215-1294), quien es considerado por muchos como el primer científico en el sentido moderno. Parece que Bacon inició la idea de usar lentes para corregir la vista, sugiriendo asimismo la posibilidad de combinar lentes para formar un telescopio. Bacon también poseía algún conocimiento de la forma en la cual los rayos atraviesan una lente. Después de su muerte, la óptica languideció de nuevo. Sin embargo, a mediados del siglo XIII, las pinturas europeas mostraban monjes con anteojos. Por su parte, los alquimistas habían logrado una amalgama líquida de estaño y mercurio que se frotaba en la parte posterior de placas de vidrio para hacer espejos. Leonardo da Vinci (1452-1519) describió la cámara oscura (pág. 219), más tarde popularizada por el trabajo de Giovanni Battista Della Porta (1535-1615). Porta discutió los espejos múltiples y las combinaciones de lentes positivas y negativas en su Magia naturalis (1589).

Esta sucesión de acontecimientos, en su mayoría modestos, constituyen lo que se podría llamar el primer período de la Óptica. Era, sin lugar a duda, un comienzo aunque humilde en el conjunto. El torbellino de logros y la excitación vendría más tarde, en el siglo XVII.

1.3 DESDE EL SIGLO DIECISIETE

No está claro quién inventó en realidad el telescopio refractor, pero registros en los archivos de La Haya muestran que el 2 de octubre de 1608 Hans Lippershey (1587-1619) un fabricante de anteojos holandés, solicitó una patente para tal instrumento. En Padua, Galileo Galilei (1564-1642) oyó acerca de la invención y en pocos meses, tallando las lentes a mano, había construido su proprio instrumento (pág. 171). El microscopio compuesto fue inventado casi al mismo tiempo, probablemente por el holandés Zacharias Janssen (1588-1632). El ocular cóncavo del microscopio fue reemplazado por una lente convexa por Francisco Fontana (1580-1656) de Nápoles y un cambio similar en el telescopio fue llevado a cabo por Johannes Kepler (1571-1630). En 1611, Kepler publicó su Dioptrice. Había descubierto la reflexión total interna (pág. 121) y había llegado a la aproximación para pequeños ángulos de la ley de refracción, en cuyo caso los ángulos incidentes y transmitido son proporcionales. Siguió adelante para desarrollar un tratamiento de la óptica de primer orden para sistemas de lentes delgadas y en su libro describió el funcionamiento detallado del telescopio kepleriano (ocular positivo) y del galileano (ocular negativo). Willebrord Snell (1591-1626), profesor de Leyden, descubrió empíricamente en 1621 la ley de la refracción (pág. 100) que había quedado ocultada durante mucho tiempo, hecho que constituyó uno de los grandes momentos de la óptica. Al conocer exactamente cómo los rayos de la luz son redirigidos al atravesar una frontera entre dos medios, Snell de un golpe, abrió la puerta a la óptica aplicada moderna. René Descartes (1596-1650) fue el primero en publicar la formulación ahora familiar de la refracción en términos de senos. Descartes dedujo la misma ley usando un modelo en el cual la luz se visualizaba como una presión transmitida por un medio elástico; tal como se consigna en su La Dioptrique (1637):

«[...] recordando la naturaleza que yo he atribuido a la luz, cuando dije que no es otra cosa que un cierto movimiento o una acción concebida en una materia muy sutil, la cual llena los poros de todos los otros cuerpos [...]»

El universo estaba completo. Pierre de Fermat (1601-1665), sin tomar en cuenta las suposiciones de Descartes, dedujo de nuevo la ley de la reflexión (pág. 105) a partir de su propio Principio de tiempo mínimo (1657).

El fenómeno de la difracción, es decir, la desviación de la propagación rectilínea que ocurre cuando la luz avanza más allá de una obstrucción (pág. 433), fue observado primero por el profesor Francesco Maria Grimaldi (1618-1663) en el colegio jesuita de Boloña. Grimaldi había observado las bandas de luz dentro de la sombra de una varilla iluminada por una pequeña fuente. Robert Hooke (1635-1703), curador conservador de experimentos para la Royal Society de Londres, observó también más tarde los efectos de la difracción. Hooke fue el prime ro en estudiar los patrones de interferencia coloreados (pág. 393) generados por películas delgadas (Micrographia, 1665). Propuso la idea de que la luz era un movimiento vibratorio rápido del medio propagándose a una gran velocidad. Además, «cada pulso o vibración del cuerpo luminoso generará una esfera» — éste era el comienzo de la teoría ondulatoria—. En el año en que murió Galileo, nació Isaac Newton (1642-1727). El empuje del esfuerzo científico de Newton se desarrollaría a través de la observación directa, evitando hipótesis especulativas. De este modo, permaneció ambivalente por mucho tiempo acerca de la naturaleza real de la luz. ¿Era corpuscular --un flujo de corpúsculos, como algunos sostenían? ¿O era la luz una onda en un medio que todo lo penetraba, el éter? A la edad de veintitrés años, comenzó sus famosos experimentos sobre la dispersión:

«Me procuré un prisma triangular de vidrio para probar con él el celebrado fenómeno de los colores.»

Newton concluyó que la luz blanca estaba compuesta de una mezcla de una gama completa de colores independientes (pág. 77). Sostuvo que los corpúsculos de la luz asociados con los varios colores, excitaban el éter en vibraciones características. Aunque su trabajo abarcara simultáneamente tanto la teoría ondulatoria como la de emisión (corpuscular), Newton se inclinó cada vez más hacia la última a medida que envejecía. Quizás su razón principal para rechazar la teoría ondulatoria, tal como se presentaba entonces, era el desalentador problema de explicar la propagación rectilínea en términos de ondas que se dispersaban en todas direcciones.

Después de algunos experimentos muy limitados, Newton dejó de intentar eliminar la aberración cromática de las lentes de telescopios refractores: llegando a la conclusión errónea de que no era viable y se inclinó al diseño de reflectores. El primer telescopio reflector de Sir Isaac se completó en 1668; tenía solamente seis pulgadas de largo y una pulgada de diámetro, pero aumentaba alrededor de 30 veces.

Casi al mismo tiempo que Newton daba énfasis a la teoría de la emisión en Inglaterra, Christiaan Huygens (1629-1695), estaba difundiendo ampliamente la teoría ondulatoria en Europa. Al contrario que Descartes, Hooke y Newton, Huygens concluyó correctamente que la luz efectivamente disminuía la velocidad al entrar a medios más densos. Pudo deducir las leyes de la reflexión y la refracción, llegando incluso a explicar la doble refracción de la calcita (pág. 332), usando su teoría ondulatoria. Y fue precisamente cuando estaba trabajando con la calcita, que descubrió el fenómeno de la polarización (pág. 319).

«Como hay dos diferentes refracciones, concebí también que hay dos diferentes emanaciones de las ondas de luz [...]»

De este modo, la luz era un chorro de corpúsculos o una rápida ondulación de materia etérea. En cualquier caso, generalmente se estaba de acuerdo en que su velocidad de propagación era excesivamente grande. En efecto, muchos creían que la luz se propagaba simultáneamente, una noción que volvía a los tiempos de Aristóteles. El hecho de que era en efecto finito fue determinado por el danés Ole Christensen Römer (16441710). La luna más cercana de Júpiter, Io, tiene una órbita alrededor de este planeta que se encuentra casi en el plano de la órbita del propio Júpiter alrededor del Sol. Römer llevó a cabo un estudio esmerado de los eclipses de lo mientras pasaba entre la sombra, detrás de Júpiter. En 1676, predijo que el 9 de noviembre, lo surgiría de la oscuridad unos 10 minutos más tarde de lo que se esperaba, basándose en su movimiento medio anual. A la hora establecida, lo realizó, como estaba previsto, un fenómeno que Römer explicó correctamente como procedente de la velocidad finita de la luz. Pudo calcular que la luz tardaba unos 20 minutos en cruzar el diámetro de la órbita de la Tierra alrededor del Sol -una distancia de aproximadamente 186 millones de millas. Huygens y Newton, entre otros, estaban muy convencidos de la validez del trabajo de Römer. Evaluando de forma independiente el diámetro de la órbita de la Tierra, asignaron a c un valor equivalente de 2,3 x 10⁸ m/s y 2,4 x 10⁸ m/s, respectivamente.

El gran peso de la opinión de Newton colgó como una mortaja sobre la teoría ondulatoria durante el siglo XVIII, ahogando a sus partidarios. A pesar de esto, el prominente matemático Leonhard Euler (1707-1783), era un devoto de la teoría ondulatoria aunque no fuera escuchado. Euler propuso que los efectos indeseables de color que se ven en una lente, estaban ausentes en el ojo (lo que es una suposición errónea) porque los diferentes medios presentaban una dispersión anulada. Sugirió que se podrían construir en forma similar lentes acromáticas (pág. 272). Entusiasmado por este trabajo, Samuel Klingenstjerna (1698-1765) profesor de Upsala, repitió los experimentos de Newton sobre el acromatismo y encontró que estaban equivocados. Klingenstjerna estaba en comunicación con un óptico de Londres, John Dollond (1706-1761), quien estaba observando resultados similares. Finalmente, en 1758 Dollond combinó dos elementos, uno de vidrio crown y otro de vidrio flint, para formar una lente acromática simple. Incidentalmente, la invención de Dollond fue en realidad precedida por el trabajo inédito del científico aficionado Chester Moor Hall (1703-1771), de Essex.

1.4 EL SIGLO DIECINUEVE

La teoría ondulatoria de la luz renació de las manos del doctor Thomas Young (1773-1829), una de las mentes verdaderamente grandes del siglo. En 1801, 1802 y 1803 leyó unos artículos ante la Royal Society exaltando la teoría ondulatoria y añadiendo a ella un nuevo concepto fundamental, el llamado principio de interferencia (pág. 377):

«Cuando dos ondulaciones de diferentes orígenes coinciden perfectamente en dirección o casi coincidentes, su efecto conjunto es una combinación de los movimientos que pertenecen a cada uno.»

Young pudo explicar las franjas coloreadas de las películas delgadas y determinó las longitudes de onda de varios colores usando datos de Newton. Aunque siempre mantuvo que sus concepciones se originaron en las investigaciones de Newton, fue severamente atacado. En una serie de artículos, probablemente escritos por Lord Brougham, en la revista Edinburgh Review, se decía que los artículos de Young estaban «desprovistos de todo tipo de mérito».

Augustin Jean Fresnel (1778-1827), nacido en Broglie, Normandía, comenzó a revivir de manera brillante la teoría ondulatoria en Francia, ajeno a los esfuerzos hechos por Young unos trece años antes. Fresnel sintetizó los conceptos de la teoría ondulatoria de Huygen y el principio de interferencia (pág. 434). El modo de propagación de una onda primaria era visto como una sucesión de onditas secundarias esféricas, que se superponían e interferían para reformar la onda primaria en su avance, tal como aparecería un instante más tarde. En las palabras de Fresnel:

«Las vibraciones de una onda luminosa en cualquiera de sus puntos se puede considerar como la suma de los movimientos elementales que le llegan en el mismo instante, por la acción separada de todas las porciones de la onda no obstruida, considerada en cualquiera de sus posiciones anteriores.»

Se suponía que estas ondas eran longitudinales, en analogía con las ondas acústicas en el aire. Fresnel pudo calcular los patrones de difracción generados en varios obstáculos y aberturas (pág. 433) y explicó satisfactoriamente la propagación rectilínea en medios isotropos homogéneos, eliminando así la objeción principal de Newton para la teoría ondulatoria. Cuando finalmente fue informado de la prioridad de Young sobre el principio de interferencia, aunque algo desanimado, Fresnel escribió a Young diciéndole que se sentía consolado de encontrarse a sí mismo en tan buena compañía: los dos grandes hombres se hicieron aliados.

Huygens, al igual que Newton, era consciente del fenómeno de la polarización que aparece en los cristales de calcita. En efecto, en su Opticks declaró que:

«Cada rayo de luz tiene por consiguiente dos lados opuestos [...]»

Sin embargo, no fue sino en 1808 que Étienne Louis Malus (1775-1812) descubrió que estos dos lados de la luz se hacían también evidentes bajo reflexión (pág. 342) y no eran inherentes a los medios cristalinos. Fresnel y Dominique François Arago (1786-1853) realizaron entonces una serie de experimentos para determinar el efecto de la polarización en la interferencia; sin embargo, sus resultados fueron completamente inexplicables dentro del marco de su modelo de onda longitudinal, hecho que marcó un momento particularmente difícil. Durante varios años Young, Arago y Fresnel lucharon con el problema hasta que finalmente Young sugirió que la vibración etérea podría ser transversal como una onda en una cuerda. Los dos lados de la luz eran entonces simplemente una manifestación de vibraciones ortogonales del éter, transversales a la dirección del rayo. Fresnel comenzó a desarrollar una descripción mecánica de las oscilaciones del éter, las que llevaron a sus fórmulas famosas para la amplitud de la luz reflejada y transmitida (pág. 111). Hacia 1825 la teoría de la emisión (o corpuscular) tenía solamente unos cuantos partidarios tenaces.

La primera determinación terrestre de la velocidad de la luz la efectuó Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819-1896) en 1849. Su aparato, que consistía en una rueda dentada giratoria y en un espejo distante (8.633 m.), se instaló en los suburbios de París, de Suresnes a Montmartre. Un pulso de luz salía de una abertura en la rueda, pegaba en el espejo y volvía. Ajustando la velocidad de rotación conocida de la rueda, se podía hacer que el pulso que volvía pasara o no a través de una abertura y que se viese o fuera obstruido por un diente. Fizeau encontró un valor de la velocidad de la luz igual a 315.300 km/s. Su colega Jean Bernard Léon Foucault (1819-1868) también estaba empeñado en investigar la velocidad de la luz. En 1834 Charles Wheatstone (1802-1875) había diseñado un arreglo de espejos rotatorios a fin de medir la duración de un chispazo eléctrico. Usando este plan, Arago propuso medir la velocidad de la luz en medios densos, pero nunca pudo llevar a cabo el experimento. Foucault se hizo cargo del trabajo, que más tarde le facilitaría el material para su tesis doctoral. El 6 de mayo de 1850 comunicó a la Academia de Ciencias que la velocidad de la luz en el agua era menor que en el aire. Este resultado, por supuesto, estaba en conflicto directo con la formulación hecha por Newton sobre la teoría de la emisión y constituyó un fuerte golpe a los pocos devotos que le quedaban.

Mientras ocurría todo esto en la óptica, el estudio de la electricidad y el magnetismo estaba también dando frutos de manera independiente. En 1845, el maestro de experimentación Michael Faraday (1791-1867) estableció una correlación entre el electromagnetismo y la luz cuando encontró que la dirección de polarización de un haz puede alterarse con un campo magnético fuerte aplicado al medio. James Clerk Maxwell (1831-1879) resumió brillantemente e incluso amplió todo el conocimiento empírico que se conocía sobre el tema hasta entonces mediante un simple conjunto de ecuaciones matemáticas. Comenzando con su síntesis notablemente sucinta y muy simétrica, Maxwell pudo demostrar, en forma solamente teórica, que el medio electromagnético se podía propagar como una onda transversal en el éter luminífero (pág. 43).

Resolviendo la velocidad de la onda, llegó a una expresión en términos de propiedades eléctricas y magnéticas del medio. Después de sustituir los valores conocidos y empíricamente determinados de estas cantidades, obtuvo un

resultado numérico igual a la velocidad medida de la luz. La conclusión era inevitable: la luz era «una perturbación electromagnética en forma de ondas» propagadas a través del éter. Maxwell murió a la edad de cuarenta y ocho años, demasiado pronto para ver la confirmación experimental de sus profecías y demasiado pronto para la física. Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) verificó la existencia de ondas electromagnéticas de longitud de onda larga, generándolas y detectándolas en una amplia serie de experimentos publicados en 1888.

La aceptación de la teoría ondulatoria de la luz parecía necesitar también de la aceptación de un substrato que todo lo penetraba, el éter luminífero. Si había onda, parecía obvio que debería haber un medio que la soportara. Como era de esperar, se hizo un gran esfuerzo científico para determinar la naturaleza física del éter, aunque éste poseyera algunas propiedades bastante extrañas. Debería ser tan tenue que permitiera un movimiento aparentemente no amortiguado de los cuerpos celestes. Al mismo tiempo, podía soportar las oscilaciones con frecuencia excesivamente alta (~1015 Hz) de la luz viajando a 186.00 millas/s. Esto implicaba fuerzas restauradoras notablemente fuertes dentro de la sustancia etérea. La velocidad con la cual una onda avanza a través del medio depende de las características del substrato perturbado y no de ningún movimiento de la fuente. Esto contrasta con el comportamiento de un flujo de corpúsculos cuya velocidad con respecto a la fuente es el parámetro esencial.

Ciertos aspectos de la naturaleza del éter molestan cuando se estudia la óptica de objetos en movimiento; fue precisamente este área de investigación la que, desarrollándose lentamente por cuenta propia, en última instancia produjera otro gran viraje. En 1725, James Bradley (1693-1762), entonces profesor Saviliano de Astronomía en Oxford, intentó medir la distancia a una estrella observando su orientación en dos diferentes épocas del año. La posición de la Tierra cambiaba mientras orbitaba alrededor del Sol y, por consiguiente, proporcionaba una gran línea de base para la triangulación de la estrella. Para su sorpresa, encontró que las estrellas «fijas» mostraban un movimiento sistemático aparente, relacionado con la dirección del movimiento de la tierra en su órbita y no dependía, como se había anticipado, de la posición de la tierra en el espacio. Esta es la llamada aberración estelar y es análoga a la bien conocida situación que se produce cuando caen gotas de lluvia. Una gota de lluvia, aunque viaje verticalmente con respecto a un observador en reposo en la tierra, aparentemente cambiará su ángulo de incidencia cuando el observador está en movimiento. De este modo, un modelo corpuscular de la luz podría explicar la aberración estelar muy fácilmente. Por otra parte, la teoría ondulatoria también brinda una explicación satisfactoria, siempre que el éter permanezca totalmente quieto cuando la tierra lo surca.

En respuesta a la especulación de si el movimiento de la Tierra a través del éter podría resultar en una diferencia observable entre la luz proveniente de fuentes terrestres y extraterrestres, Arago se propuso examinar el problema experimentalmente. Encontró que dichas diferencias no existían. La luz se comportaba como si la Tierra estuviera en reposo con respecto al éter. Para explicar estos resultados, Fresnel sugirió en efecto que la luz era arrastrada parcialmente cuando viajaba en un medio transparente en movimiento. Un experimento de Fizeau, en el que unos haces de luz pasaban por columnas de agua en movimiento, y otro realizado en 1871 por Sir George Biddell Airy (1801-1892) en el que usaba un telescopio lleno de agua para examinar la aberración estelar, parecían confirmar la hipótesis del arrastre de Fresnel. Suponiendo un éter en reposo absoluto, Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) dedujo una teoría que encerraba las ideas de arrastre de Fresnel.

En 1879, en una carta a D. P. Todd de la U.S. Nautical Almanac Office, Mawell sugirió un sistema para medir la velocidad con la cual el sistema solar se movía con respecto al éter luminífero. El norteamericano Albert Abraham Michelson (18521931), entonces instructor naval, tomó la idea. Michelson, a la temprana edad de veintiséis años, había adquirido ya una reputación favorable al efectuar una determinación bastante precisa de la velocidad de la luz. Unos pocos años más tarde, comenzó un experimento para medir el efecto del movimiento de la tierra a través del éter. Ya que la velocidad de la luz en el éter es constante y la tierra, a su vez, presumiblemente se mueve en relación al éter (velocidad orbital de 67.000 millas/h), el movimiento del planeta debería afectar a la velocidad de la luz medida con respecto a la tierra. En 1881 publicó sus hallazgos. No había movimiento detectable de la tierra con respecto al éter: el éter era estacionario. Pero la firmeza de este resultado sorprendente perdió algo de brillo cuando Lorentz señaló un error en los cálculos. Años más tarde Michelson, entonces profesor de física en el Case School of Applied Science en Cleveland, Ohio, se unió al profesor Edward Williams Morley (18381923), un profesor muy conocido de química en Western Reserve, para volver a hacer el experimento con precisión considerablemente mayor. Sin embargo, asombrosamente, sus resultados, publicados en 1887, fueron de nuevo negativos:

«De todo lo que precede parece razonablemente cierto que, si hay un movimiento relativo entre la tierra y el éter luminífero, éste debe ser pequeño; lo suficientemente pequeño para rebatir la explicación de Fresnel de la aberración.»

Así, mientras que una explicación de la aberración estelar dentro del contexto de la teoría ondulatoria requería la existencia de un movimiento relativo entre la tierra y el éter, el experimento de Michelson-Morley refutaba esa posibilidad. Además, • los hallazgos de Fizeau y Airy necesitaban la inclusión de un arrastre parcial de la luz debido al movimiento del medio.

1.5 LA ÓPTICA DEL SIGLO VEINTE

Jules Henri Poincaré (1854-1912) fue quizás el primero en percatarse del significado de la incapacidad experimental para observar cualquier efecto del movimiento relativo al éter. En 1899, comenzó a dar a conocer sus opiniones y en 1900 dijo:

«¡Nuestro éter, realmente existe? Yo no creo que observaciones más precisas nos puedan revelar algo más que desplazamientos relativos.»

En 1905, Albert Einstein (1879-1955) presentó su teoría especial de la relatividad en la cual él también, de forma bastante independiente, rechazó la hipótesis del éter:

«La introducción de un "éter luminífero” resultará ser superflua puesto que el punto de vista que habrá de desarrollarse aquí no necesitará un "espacio estacionario absoluto”.»

Además postuló que:

«La luz siempre se propaga en el espacio con una velocidad definida c la cual es independiente del estado de movimiento del cuerpo emisor.»

Los experimentos de Fizeau, Airy y Michelson-Morley fueron entonces explicados, de manera muy natural, dentro del marco de la cinemática relativista de Einstein 2. Despojados del éter, los físicos tuvieron simplemente que acostumbrarse a la idea de que las ondas electromagnéticas se podían propagar a través del espacio libre: no había otra alternativa. La luz se concebía ahora como una onda autónoma con el énfasis conceptual pasando del éter al campo. La onda electromagnética quedó como una entidad en sí misma.

El 19 de octubre de 1900, Max Karl Ernst Ludwig Planck (1858-1947) leyó un artículo ante la German Physical Society en el que presentó las bases de lo que sería otra gran revolución en el pensamiento científico: la mecánica cuántica, una teoría que abarca los fenómenos submicroscópicos. En 1905, basándose en estas ideas, Einstein propuso una nueva forma de teoría corpuscular en la cual afirmaba que la luz consistía en globos o partículas de energía. Cada uno de tales cuantos de energía radiante o fotones, como se les habría de llamar, tenían una energía proporcional a su frecuencia v, es decir E = hv donde h es conocida como la constante de Planck (figura 1.8). Al final de la década de los años veinte, a través de los esfuerzos de hombres tales como Bohr, Born, Heisenberg, Schrödinger, De Broglie, Pauli, Dirac y varios otros, la mecánica cuántica quedó como una estructura bien establecida. Gradualmente se hizo evidente que los conceptos de corpúsculo y de onda, que en el mundo macroscópico parecen ser mutuamente excluyentes, deben juntarse en el dominio submicroscópico. La imagen mental de una partícula atómica (electrones, neutrones, etc.) como un trozo localizado de materia, ya no satisface. En efecto, se encontró que estos «corpúsculos» podían generar patrones de interferencia y de difracción precisamente en la misma forma que la luz (pág. 433). Entonces los fotones, los protones, los electrones, los neutrones, etc., todos ellos, tienen ambas manifestaciones como corpúsculo y como onda. Sin embargo, la cuestión no estaba resuelta en absoluto. «Cada físico cree saber lo que es un fotón», escribió Einstein. «Me he pasado la vida intentado descubrir qué es un fotón, y aún no lo sé».

La relatividad liberó la luz del éter y mostró la afinidad entre masa y energía (vía E=mc). Las que parecían ser dos cantidades casi antitéticas, ahora se hicieron intercambiables. La mecánica cuántica siguió adelante para establecer que un corpúsculo de momento* p tiene una longitud de onda asociada i tal que p = hA. El neutrino, un corpúsculo neutro cuya masa en reposo es supuestamente igual a cero, fue postulado por razones teóricas en 1930 por Wolfgang Pauli (1900-1958) y verificado experimentalmente más tarde, en la década de los cincuenta. Las imágenes sencillas de trozos submicroscópicos de materia se hicieron insostenibles y la dicotomía onda-corpúsculo se disolvió en una dualidad.

La mecánica cuántica también estudia la manera en la que la luz es absorbida y emitida por los átomos (pág. 63). Supongamos que hacemos que un gas brille calentándolo o pasando una descarga eléctrica a través de él. La luz emitida es característica de la estructura de los átomos que constituyen el gas. La espectroscopia, es decir, la rama de la óptica que se encarga del análisis espectral (pág. 73), se desarrolló a partir de las investigaciones de Newton. William Hyde Woolaston (17661828) realizó las primeras observaciones de la líneas oscuras del espectro solar (1802). Debido a la forma de rendija de la abertura generalmente usada en los espectroscopios, la salida consistía en bandas angostas y coloreadas de luz, las llamadas líneas espectrales. Trabajando independientemente, Joseph Fraunhofer (1787-1826) amplió mucho el tema. Después de descubrir accidentalmente la línea doble del sodio (pág. 273), comenzó a estudiar la luz solar e hizo las primeras determinaciones de longitudes de onda usando redes de difracción (pág. 465). Gustav Robert Kirchoff (1824-1887) y Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899), trabajando conjuntamente en Heidelberg, establecieron que cada tipo de átomo tenía su propia firma en un arreglo característico de líneas espectrales. En 1913, Niels Henrik David Bohr (1885-1962) expuso una teoría cuántica precursora del átomo de hidrógeno, que podía predecir las longitudes de onda de su espectro de emisión. Ahora se entiende que la luz emitida por un átomo se debe a sus electrones exteriores (pág. 63). El proceso pertenece a la esfera de la teoría cuántica moderna que describe los detalles más pequeños con increíble precisión y belleza.

El florecimiento de la óptica aplicada en lo que va de la segunda mitad del siglo XX, representa un renacimiento en sí mismo. En la década de los años cincuenta, varios investigadores comenzaron a mezclar la óptica con las técnicas matemáticas y los puntos de vista de la teoría de las comunicaciones. Precisamente como la idea del momento lineal proporciona otra dimensión con la cual visualizar los aspectos de la mecanica, el concepto de frecuencia espacial brinda una forma nueva y rica de apreciar una amplia gama de fenómenos ópticos. Unidos por el formalismo matemático del análisis de Fourier (pág. 304), este énfasis contemporáneo ha tenido gran trascendencia. Especialmente interesantes son las teorías de la formación y de la evaluación de imágenes (pág. 532), las funciones de transferencia (pág. 555) y la idea de filtrado espacial (pág. 318).

El advenimiento de las computadoras digitales de alta velocidad marcó un amplio adelanto en el diseño de sistemas ópticos complejos. Las lentes asféricas (pág. 152) lograron un significado práctico renovado y el sistema limitado por la difracción con un campo de visión apreciable, se hizo realidad. La técnica de pulido por bombardeo iónico, donde se desprende sólo un átomo cada vez, se introdujo para satisfacer la necesidad de precisión extrema en la preparación de elementos ópticos. El uso de recubrimientos con películas delgadas y múltiples (reflectoras, antirreflectoras, etc.) se hizo muy común (pág. 426). La óptica de fibras llegó a ser una herra mienta práctica (pág. 198) y se estudiaron las guías de luz de películas delgadas. Se prestó mucha atención al extremo infrarrojo del espectro (sistemas de vigilancia, guía de proyectiles, etc.) lo cual a su vez estimuló el desarrollo de materiales IR. Se empezaron a usar ampliamente los plásticos en la óptica (elementos de lentes, réplicas de redes, fibras, lentes asféricas, etc.). Se desarrollaron nuevas clases de vidrios cerámicos, parcialmente vitrificados, con un coeficiente de expansión térmica extremadamente bajo. El resurgimiento en la construcción de observatorios astronómicos (terrestres y extraterrestres) que abarcaban todo el espectro (pág. 224), ya evidente a finales de los sesenta, siguió con empuje en los ochenta y noventa.

Después de la construcción del primer láser en 1960, los haces láser cubrieron en una década todo el rango desde el infrarrojo al ultravioleta. La disponibilidad de fuentes coherentes de alta potencia llevó al descubrimiento de nuevos efectos ópticos (generación de armónicos, mezclado de frecuencias, etc.) y desde entonces a todo un panorama de nuevos y maravillosos dispositivos. La tecnología necesaria para producir un sistema óptico práctico de comunicaciones se desarrolló rápidamente. El uso sofisticado de cristales en sistemas tales como los generadores de segundo armónico (pág. 650), moduladores electro-ópticos y acusto-ópticos y similares, estimula ron una gran cantidad de investigación contemporánea en óptica de cristales. La técnica de reconstrucción de frentes de onda, conocida como holografía (pág. 630), de la cual se consiguen magnificas imágenes tridimensionales, encontró numerosas aplicaciones (pruebas no destructivas, almacenamiento de datos, etc.).

La orientación militar de gran parte del trabajo de desarrollo de la década de los sesenta, siguió adelante en los setenta, en los ochenta y en los noventa con nueva fuerza. Ese interés tecnológico de la óptica va desde el espectro de las «bombas inteligentes» y satélites espía hasta «rayos de la muerte» y aparatos de infrarrojo capaces de ver en la oscuridad. Sin embargo, consideraciones económicas asociadas a la necesidad de mejorar la calidad de vida han hecho que productos de esta disciplina hayan entrado en el mercado, como nunca antes lo habían hecho. Hoy en día, los láseres se utilizan por doquier: en la lectura de videodiscos en el cuarto de estar, en el corte del acero en establecimientos; en el barrido de etiquetas en los supermercados y en los quirófanos de los hospitales. Millones de sistemas de display ópticos en relojes, calculadoras y ordenadores centellean en todo el mundo. El uso casi exclusivo, durante los últimos cien años, de las señales eléctricas para el tratamiento y la transmisión de datos, está dando rápidamente el paso a técnicas ópticas más eficientes. Una revolución de gran alcance de los métodos de tratamiento y comunicación de la información se está produciendo silenciosamente, una revolución que seguirá cambiando nuestras vidas en los años venideros.

Los conceptos profundos surgen lentamente. Realmente es muy poco lo que se ha logrado en tres mil años a pesar de que cada día se acelera más el paso. En efecto, es maravilloso observar que la respuesta va cambiando sutilmente mientras que la pregunta ¿qué es la luz? continúa inmutable.